Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Partikelzähler
Nanopartikel
Streulicht
Verbrennungsaerosol
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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particle counter
nanoparticle
light scatting
combustion aerosol
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Für die Messung der Anzahlkonzentration (Anzahl pro Volumeneinheit bei Normalbedingungen) von Nanopartikeln (Feststoffpartikel eines Aerosols mit Durchmesser zwischen rund 10 und 300 nm) können verschiedene Verfahren angewandt werden. Eingesetzt als "primäre Messsysteme" werden am METAS zur Zeit zwei Kondensationskernzähler (CPC = condensation particle counter). Das nationale Normal für die Partikelmessung am METAS sollte aber - zur Vermeidung verfahrensbedingter systematischer Fehler - auf verschiedenen Messmethoden basieren.
Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines optischen Zählers für Nanopartikel, welcher erlaubt das nationale Normal für Partikel mit einer weiteren physikalischen Messmethode zu ergänzen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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For the measurement of the number concentration (number per volume unit at standard conditions) of nano particles (solid particles of an aerosol with an diameter between approximate 10 and 300 nm) various methods can be applied. At present METAS applies as "primary methods" two condensation particle counters (CPC). The national standard for particulate measurements at METAS should enclose different methods in order to minimise the risk of systematic errors.
The aim of this project is the development of a optical counter for nano particles, that enables to enlarge the national standard for particulates with another physical method of measurement.
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Projektziele
(Deutsch)
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Das Ziel des Projekts ist die Untersuchung der Machbarkeit, die Konstruktion und die Charakterisierung eines optischen Zählers für Nanopartikel mit folgenden Eigenschaften (Pflichtenheft unterteilt nach M = Muss, W = Wunsch):
· Erfassung von Verbrennungspartikel mit der bekannten fraktalen Struktur (M), Latexkugeln (W) und anderen Feststoffen (W) in einem Aerosol
· Konzentrationsbereich (Anzahl pro Volumeneinheit bei Normalbedingungen): 0 ... 104 cm-3 (M), 0 ... 107 cm-3 (W)
· Zählunsicherheit: < 3 % (M), < 1 % (W)
· Grössenbereich (Durchmesser): 50 nm (M) bis 300 nm (M), 10 nm bis 1000 nm (W)
· Durchflussrate (saugend) insgesamt: 0.2 bis 0.3 L/min (W), < 1 L/min (M)
(Dieser Durchfluss kann geräteintern noch aufgeteilt werden, falls Kalibrierung möglich)
· Durchfluss (auch interne Teilflüsse) kann mit externen Normalen kalibriert werden (M)
· Gerät ist transportabel (Gewicht < 30 kg, Volumen < 200 L) (W)
· Quasi-kontinuierliche Datenerfassung (M) und Aufzeichnung (mit Zeitstempel) auf Datenträger (Diskette) in gängigem Format oder via serielle Schnittstelle (M)
· Ansprechzeit: < 2 s (W), < 5 s (M bei Konzentrationen > 100 cm-3)
· Unempfindlichkeit auf Feuchte (< 90 % rF bei 20 °C) und auf korrosive Gase (M)
· Drift (z.B. aufgrund von Ablagerungen): vernachlässigbar, < 1% pro Monat (W)
· Minimales Totvolumen vor und in der Messzelle (W: Länge des Rohrs zwischen Geräteeingang und Messzelle < 10 cm bei 6 mm Æ).
Die Durchführung des Projekts erfolgt in mehreren Teilen, wobei die Teile als Aufträge an eine externe Stelle vergeben werden und danach über den Fortgang neu entschieden wird:
Im ersten Teil (1.2.2003 bis 31.3.2003) werden aufgrund von theoretischen Überlegungen die Vor- und Nachteile verschiedener Verfahren (z.B. kontinuierlicher und pulsierender Laserstrahl) untersucht und die Machbarkeit abgeklärt. Meilenstein: Machbarkeitsstudie.
Im zweiten Teil (15.4.2003 bis 15.7.2003) erfolgt die Konzeption des Messaufbaus gemäss dem gewähltem Verfahren (Systemdesign für Prototyp). Dabei ist vorgesehen, dass sowohl für den Laser als auch für den Detektor kostengünstige Varianten (nach Möglichkeiten vorhandene Komponenten des Auftragnehmers) gewählt werden. Der Prototyp erfüllt das Pflichtenheft noch nicht vollumfänglich. Meilenstein: Detailpläne für Prototypen, Diskussion der voraussichtlichen Abweichungen bezüglich Pflichtenheft, Offerte für Prototyp.
Im dritten Teil (15.7.2002 bis 31.12.2003) erfolgt der Bau eines Prototyps und die Untersuchung, unter welchen apparativen Bedingungen (z.B. Leistung des Lasers, Empfindlichkeit des Detektors) ein optischer Zähler gemäss Pflichtenheft gebaut werden kann. Meilenstein: Dokumentation der Untersuchung, definitiver Konstruktionsplan und Offerte für die Realisierung.
Im vierten Teil (1.1.2004 bis ca. Mitte 2004) wird der Zähler gemäss Pflichtenheft realisiert. Die Eigenschaften werden geprüft und dokumentiert. Nach der Übergabe wird der Zähler unter verschiedenen Umgebungs-bedingungen (voraussichtlich am METAS) untersucht und mit den anderen Partikelmessgeräten (Kondensationskeimzähler, Elektrometer) verglichen und schliesslich in die Partikelbasis integriert. Meilenstein: Übergabe des Zählers, Detailpläne, Bedienungsanleitung, Bericht zur Charakterisierung, Einbau in das nationale Normal, Bestimmung der Messunsicherheit des Normals.
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Projektziele
(Englisch)
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The aim of the project is the investigation of the feasibility, the construction and the characterisation of an optical counter for nano particles with following attributes (requirements specification (M = must, W = wish):
· Measurement of combustion particules with a known fractal structure (M), latex spheres (W), and other solids (W) in an aerosol.
· concentration range (number per volume unit at standard conditions): 0 ... 104 cm-3 (M), 0 ... 107 cm-3 (W).
· Uncertainty for counting: < 3 % (M), < 1 % (W)
· Size range (diameter): 50 nm (M) to 300 nm (M), 10 nm (W) to 1000 nm (W)
· Flow rate (sucking) total: 0.2 to 0.3 L/min (W), < 1 L/min (M)
(internally this flow can be splitted, if individual calibration is still possible)
· Flows (internal partial flows too) can be calibrated with external standards (M)
· Instrument is portable (weight < 30 kg, volume < 200 L) (W)
· Quasi continuos measurement (M) and registration (with time stamp) on a data medium (floppy disk) in common format or via serial interface (M)
· Response time: < 2 s (W), < 5 s (M at concentrations > 100 cm-3)
· Unsusceptible to humidity (< 90 % rh at 20 °C) and to corrosive gases (M)
· Drift (e.g. due to soot deposition): negligible, < 1% per month (W)
· Minimal dead volume upstream and in the measuring cell (W: length of the tube between entrance to the instrument and measuring cell < 10 cm at 6 mm Ø).
The realisation of the project is performed in several phases, that are given as mandates to external partners. After each phase a decision is taken about the continuation of the project.
In the first phase (1.2.2003 to 31.3.2003) a theoretical study will address the advantages and disadvantages of various methods (e.g. continuos or pulsing laser) and show the feasibility. Milestone: feasibility study.
In the second phase (15.4.2002 to 15.7.2003) the concept for the construction according the chosen solution (system design for a prototype). For the laser and the detector existing components or simpler components with lower costs shall be used. Therefore this prototype cannot fulfil all requirements. Milestone: Detail plans for prototype, discussion of the presumed differences to the requirements, offer for a prototype.
In the third phase (15.7.2002 to 31.12.2003) the prototype is realised and examined under which conditions (e.g. power of laser, sensibility of detector) the optical counter can fulfil the requirements. Milestone: Documentation of the examination, definitive construction plan and offer for the realisation.
In the fourth phase (1.1.2004 to mid 2004) the definitive counter will be realised. The characteristics will be checked and documented. After delivery the counter will be examined under different ambient conditions (likely at METAS) and compared with other instruments for particle measurement (CPC, electrometer) and finally incorporated in the basis. Milestone: Delivery of the counter, detail plans, user manual, report of the characterisation, incorporation in the national standard, reevaluation of the uncertainty of the standard.
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Abstract
(Deutsch)
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Der Projektteil "Machbarkeitsstudie" wurde dem Optiklabor der Berner Fachhochschule (HTI) Hochschule für Technik und Informatik in Biel übertragen. Die Übernahme eines Partikelgenerators und optischen Partikelzählers LAPAZ (Laser Partikelzähler) vom Labor Spiez Mitte 2003 hatte zur Folge, dass das Projekt neu ausgerichtet wurde. Die Machbarkeitsstudie sollte nun nicht nur eine reine Neukonstruktion untersuchen, sondern auch die Leistung des LAPAZ beurteilen. Die Studie resultiert in der Feststellung, dass der Partikelgenerator LAPAZ in vielen Punkten ausserordentlich gute Werte erreicht un weiter ausgebaut werden kann. Das Ziel des Projekts wurde grösstenteils erreicht.
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Abstract
(Englisch)
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The project part of "feasibility study" was accomplished by the optics laboratory of the University of applied sciences, Biel, School of Engineering and Architecture (HTI). As a consequence of the transfer of the particle generator and optical particle counter LAPAZ (Laser particle counter) from the "Labor Spiez" to METAS in the middle of 2003, the project OPC was newly oriented. In addition to the conception for a new construction, the feasibility study was extended to include the evaluation of the performance of LAPAZ. The study results in the statement that the particle generator LAPAZ achieves extraordinarily good values in many points and offers possibilities for further improvements. The goals of the project are reached to a great extend.
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die Resultate fliessen in die kommende Erneuerung des Partikelgenerators LAPAZ ein.
Die wichtigsten Punkte sind die Verbesserung der Datenerfassung und der Auswertung. Die Verbesserung muss so ausgelegt werden, dass die Auswertung mit Hilfe von angepassten Filtern ("matched filters") möglich ist.
Die Realisierung des Partikelzählers mit angepassten Filtern ist als Zusammenarbeitsprojekt mit einem externen Partner geplant.
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Umsetzung und Anwendungen
(Englisch)
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The results of the feasibility study serve as the basis for the renewal of the particle generator LAPAZ.
The most important points are the improvement of the data acquisition and data analysis. The improvements should allow the subsequent data acquisition and analysis with "matched filters".
The realisation of the particle counter with "matched filters" is planned as a collaboration project with an external partner for the near future.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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keine
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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none
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