Kategorisierung von Partikelmessverfahren

Transkript

1 Kategorisierung von Partikelmessverfahren Lehrstuhl für Microtrac-Workshop Partikelanalyse, 30. März 2017

2 Kategorisierung von Messverfahren Partikelgröße & Verteilung Genauigkeit Art der und Messwertermittlung Auflösung Randbedingungen Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Lehrstuhl für, Akzeptabler Messort Aufwand 2

3 Partikelgröße Die Geometrien der Feststoffe sind i.a. sehr unterschiedlich Reale Partikeln 'Wie groß sind diese Partikeln?' 3 Lehrstuhl für,

4 Kugel (D=100mm) Äquivalentdurchmesser (Bsp. geometr.) Volumenäquivalent: D V = 100 mm Stab (D=50mm L=267mm) D V = 100 mm Würfel (L=80,6mm) D V = 100 mm Scheibe (D=211mm H=15mm) D V = 100 mm Oberflächenäquivalent: D S = 100 mm D S = 121 mm D S = 111 mm D S = 159 mm 2 Projektionsflächenäquivalent: D D P = P = 79 cm cmm mm (20 cm 2 ) (50 mm) Lehrstuhl für, D D 350 cm 2 P = P = cm mm 2 ( cmmm 2 ) (63,5 mm) 6

5 Äquivalent-Partikelgröße Ziel: Reduzierung der komplexen Beschreibung der Partikelgeometrie auf eine Zahl à Bestimmung einer Partikeleigenschaft (= Dispersitätsgröße) Definition: Äquivalentdurchmesser = Durchmesser der Kugel, welche in dieser Eigenschaft mit der Partikel übereinstimmt Hintergrund: Das Verhalten von Kugeln lässt sich meist theoretisch beschreiben. Berechnung des Partikelverhaltens bezüglich der gewählten Eigenschaft möglich! Lehrstuhl für, 7

6 Dispersitätsgrößen Geometrische Partikelmerkmale eindimensional (Längen, Umfang,...) zweidimensional (Oberfläche, Projektionsfläche, Schnittfläche) dreidimensional (Volumen, Masse) 1-D: Feret (max. Abstand) x Fe 2-D: Oberfläche Projektionsfläche Martin (Flächenhalbierende) x Ma Schnittfläche Sieböffnungsweite x w,q Umfang der Projektionsfläche) x P Lehrstuhl für, 8

7 Geometrische Partikelmerkmale: z.b. Bildanalyse Lehrstuhl für, 9

8 Dispersitätsgrößen Geometrische Partikelmerkmale eindimensional zweidimensional (Oberfläche, Projektionsfläche, Schnittfläche) dreidimensional (Volumen, Masse) Partikelmerkmal Bewegung Trägheit Sinkgeschwindigkeit Mobilität, Diffusion Lehrstuhl für, 10

9 Merkmal Partikelbewegung - Trägheit z.b. Aerodynamische Partikelgrößenbestimmung bis ca. 0,5 µm z.b. Impaktor Aerosol v W T* Düse Stromlinien Partikelbahnen Lehrstuhl für, S Platte Berner-Impaktor : 11 Stufen 15 nm 16 µm 11

10 Merkmal Partikelbewegung - Mobilität z.b. SMPS!V sh!! w q Cu w Z P =! = = q! E 3p h x F D!V ae HV z.b. Dynamische Lichtstreuung!V e D = k T! F w P! D!V s Lehrstuhl für, 12

11 Dispersitätsgrößen Geometrische Partikelmerkmale eindimensional zweidimensional (Oberfläche, Projektionsfläche, Schnittfläche) dreidimensional (Volumen, Masse) Partikelmerkmal Bewegung Trägheit Sinkgeschwindigkeit Mobilität, Diffusion Partikelmerkmal Wechselwirkung mit Feldern / Wellen Elektrische Feldstörung Lichtstreuung, -beugung Lichtextinktion Ultraschallextinktion Lehrstuhl für, 13

12 Kategorisierung von Messverfahren Partikelgröße & Verteilung Messgröße: physikalischer Effekt Randbedingungen à Kugel mit gleichem Verhalten Art der Genauigkeit Messwertermittlung und Auflösung Äquivalentgröße = Dispersitätsgröße: Größe bezogen auf eine Eigenschaft Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 14

13 Partikelgrößenverteilung: Die Mengenart 15 klein mittel groß Partikelgröße 1 : 2 : 4 Anzahl 128 : 16 : 2 Lehrstuhl für, 15

14 Partikelgrößenverteilung: Die Mengenart klein mittel groß Partikelgröße 1 : 2 : 4 Anzahl Q 0 = 128 : 16 : 2 0,88 0,99 1,0 Masse 1 : 1 : 1 Q 3 = 0,33 0,67 1,0 Lehrstuhl für, 16

15 Partikelgrößenverteilung: Die Mengenart 1.00 Summenverteilungen für Beispiel mit 3 Fraktionen Verteilungssumme Q r (x) Q 0 Q Lehrstuhl für, Partikelgrˆ fle x / mm 17

16 Partikelgrößenverteilung: Die Mengenart Bsp.: Mörtelsand mit Fuller-Vertlg (optimale Größenverteilung) 1.00 Summenverteilung Q(x) Q 0 (anzahlbezogen) Q 3 (massenbezogen) mit: x max = 8 mm x min = 0,16 mm a = 0,4 (empf. für natürliche Kiessande) Lehrstuhl für, Partikelgrˆ fle x / mm 18

17 Kategorisierung von Messverfahren Äquivalentgröße & Mengenart Verteilung Verteilung: Art der Genauigkeit Messwertermittlung und Auflösung direkt erfasste Mengenart Art der Verteilung Randbedingungen * Approximationsfunktion ( Parameter) * komplette Verteilung ( Auflösung) Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 19

18 Kategorisierung von Messverfahren Äquivalentgröße & Genauigkeit Art der und Verteilung Messwertermittlung Auflösung Art der Messwertermittlung: Messung Randbedingungen an Einzelpartikel Messung am Partikelkollektiv Trennende Verfahren Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 20

19 Messwerterfassung: Bestimmung an Einzelpartikel Direkte Erfassung phys. Eigenschaft z.b. Aerodynamic Particle Sizer à Äquivalentgröße àzählliste Lehrstuhl für, 21

20 Messwerterfassung: Bestimmung an Einzelpartikel Direkte Erfassung phys. Eigenschaft z.b. optische Partikelzähler Weißlicht-Aerosolspektrometer à Äquivalentgröße àzählliste Plotter PC Impulshöhe Zähler Umformer Stab. Vers. z.b. Bildanalyse Spiegel Blende II Objektiv II Photomultiplier Verst. Messvolumen Objektiv I Blende I Lampe Kondensator Strömungskanal Lehrstuhl für, 22

21 Art der Messwerterfassung Einzelpartikel Direkte Erfassung phys. Eigenschaft Partikelkollektiv Messung WW mit Kollektiv à Äquivalentgröße àzählliste à Veränderung (Ort, Frequenz, etc.) àrückrechnung PGV Lehrstuhl für, 23

22 Messwerterfassung: Messung am Partikelkollektiv Messung WW mit Kollektiv z.b. Statische Lichtstreuung à Veränderung (Ort, Frequenz, etc.) àrückrechnung PGV z.b. Dynamische Lichtstreuung z.b. Ultraschallextinktion Lehrstuhl für, 24

23 Art der Messwerterfassung Einzelpartikel Direkte Erfassung phys. Eigenschaft Partikelkollektiv Messung WW mit Kollektiv Trennend z.b. SMPS à Äquivalentgröße àzählliste à Veränderung (Ort, Frequenz, etc.) Auftrennung Kollektiv / Selektion einer Größe z.b. Impaktor àrückrechnung PGV à Messung der Partikelmenge Lehrstuhl für, 25

24 Kategorisierung von Messverfahren Äquivalentgröße & Genauigkeit Art der und Verteilung Messwertermittlung Auflösung Art der Messwertermittlung: Messung Randbedingungen an Einzelpartikel Messung am Partikelkollektiv Trennende Verfahren Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 26

25 Kategorisierung von Messverfahren Äquivalentgröße & Verteilung Messort: Art der Genauigkeit Messwertermittlung und Auflösung Randbedingungen - situ ex situ à nahme Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 27

26 Kategorisierung von Messverfahren Äquivalentgröße & Verteilung Messzeit: Art der Genauigkeit Messwertermittlung und Auflösung charakt. Messzeit t M charakt. Prozesszeit t P Randbedingungen off-line: t M > t P on-line: t M < t P Anzahl Messzeit und Frequenz der in-line = on-line + in-situ Akzeptabler Messort Aufwand der Messungen Lehrstuhl für, 28

27 Kategorisierung von Messverfahren Äquivalentgröße & Verteilung Randbedingungen : Konzentrationsbereich nvolumen Randbedingungen (-strom) Medium Umgebungsbedingungen npräparation Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Art der Genauigkeit Messwertermittlung und Auflösung Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 29

28 Messsystem Suspension / Aerosol / Pulver nahme Abscheiden teilen Verdünnen / Anreichern Konditionieren Messen Klassieren Auswerten Lehrstuhl für, Datenausgabe Prozessregelung 30

29 Zusammenfassung Partikelgröße & Verteilung Art der Messwertermittlung Genauigkeit und Auflösung Randbedingungen Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 31