Kategorisierung von Partikelmessverfahren Lehrstuhl für Microtrac-Workshop Partikelanalyse, 30. März 2017
Kategorisierung von Messverfahren Partikelgröße & Verteilung Genauigkeit Art der und Messwertermittlung Auflösung Randbedingungen Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Lehrstuhl für, Akzeptabler Messort Aufwand 2
Partikelgröße Die Geometrien der Feststoffe sind i.a. sehr unterschiedlich Reale Partikeln 'Wie groß sind diese Partikeln?' 3 Lehrstuhl für,
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 3 3 3 3 6 Oberflächenäquivalent: D S = 100 mm D S = 121 mm D S = 111 mm 2 2 2 D S = 159 mm 2 Projektionsflächenäquivalent: D D P = P = 79 cm 2 134 130 cmm 2 100 mm (20 cm 2 ) (50 mm) Lehrstuhl für, D D 350 cm 2 P = P = 65 91 cm mm 2 (32 211 cmmm 2 ) (63,5 mm) 6
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
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
Geometrische Partikelmerkmale: z.b. Bildanalyse Lehrstuhl für, 9
Dispersitätsgrößen Geometrische Partikelmerkmale eindimensional zweidimensional (Oberfläche, Projektionsfläche, Schnittfläche) dreidimensional (Volumen, Masse) Partikelmerkmal Bewegung Trägheit Sinkgeschwindigkeit Mobilität, Diffusion Lehrstuhl für, 10
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
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
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
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
Partikelgrößenverteilung: Die Mengenart 15 klein mittel groß Partikelgröße 1 : 2 : 4 Anzahl 128 : 16 : 2 Lehrstuhl für, 15
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
Partikelgrößenverteilung: Die Mengenart 1.00 Summenverteilungen für Beispiel mit 3 Fraktionen Verteilungssumme Q r (x) 0.75 0.50 0.25 Q 0 Q 3 0.00 0 1 2 3 4 5 Lehrstuhl für, Partikelgrˆ fle x / mm 17
Partikelgrößenverteilung: Die Mengenart Bsp.: Mörtelsand mit Fuller-Vertlg (optimale Größenverteilung) 1.00 Summenverteilung Q(x) 0.75 0.50 0.25 Q 0 (anzahlbezogen) Q 3 (massenbezogen) mit: x max = 8 mm x min = 0,16 mm a = 0,4 (empf. für natürliche Kiessande) 0.00 0.1 1 10 Lehrstuhl für, Partikelgrˆ fle x / mm 18
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
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
Messwerterfassung: Bestimmung an Einzelpartikel Direkte Erfassung phys. Eigenschaft z.b. Aerodynamic Particle Sizer à Äquivalentgröße àzählliste Lehrstuhl für, 21
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
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
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
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
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
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
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
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
Messsystem Suspension / Aerosol / Pulver nahme Abscheiden teilen Verdünnen / Anreichern Konditionieren Messen Klassieren Auswerten Lehrstuhl für, Datenausgabe Prozessregelung 30
Zusammenfassung Partikelgröße & Verteilung Art der Messwertermittlung Genauigkeit und Auflösung Randbedingungen Anzahl Messzeit und Frequenz der Messungen Akzeptabler Messort Aufwand Lehrstuhl für, 31