Ottenere i dati di cui hai bisogno con le misurazioni delle particelle

Ottenere i dati di cui hai bisogno con le misurazioni delle particelle

Di Patricia B. Keady, SI Incorporated Shoreview, Minnesota
Ripubblicato da Indoor Environment Connections novembre 2000, Volume 2, Numero 1

Particelle, grandi e piccole, sono un fattore importante nel mantenimento di una buona qualità dell'aria interna. Le misure di controllo, come un miglioramento delle pulizie, filtri potenziati o un corretto design dello scarico, sono generalmente azioni semplici. Tuttavia, la scelta del controllo appropriato dipende dall'avere i dati corretti per la presa di decisioni. Molti strumenti, che utilizzano diverse tecnologie, sono attualmente disponibili per fornire queste informazioni in tempo reale. La domanda è ?Quale tecnologia è adatta alla mia applicazione??

I fotometri, contatori ottici di particelle (OPC) e contatori di particelle a condensazione (CPC) misurano tutte le particelle in aria in tempo reale. Ogni tecnologia ha una sensibilità unica a caratteristiche specifiche delle particelle come dimensione, massa e indice di rifrazione. La Tabella 1 riassume le differenze di prestazioni di base. Notare in particolare l'intervallo di dimensione per ciascuno e il limite superiore delle concentrazioni di numero tra OPC e CPC. La Tabella 2 riassume le applicazioni tipiche per ciascuna tecnologia di misurazione.

Fotometri

Spesso usati per studi sul luogo di lavoro industriale e monitoraggio delle emissioni, i fotometri sono adatti per valutare l'esposizione umana ad aerosol di frazioni di dimensioni specifiche in tempo reale. Utilizzano una tecnologia convenzionale di scattering della luce per stimare da vicino le concentrazioni di massa delle particelle. Il funzionamento di un fotometro tipico è mostrato in Figura 1. Un campione viene aspirato nello strumento da una pompa in funzione continua. La frazione di dimensione di interesse viene "tagliata" dall'aria in ingresso tramite un impattore o un ciclone. Le frazioni di dimensione più interessanti sono respirabili, toraciche, PM10, PM2.5 e PM1.0. Il campione classificato per dimensione passa attraverso un ugello di focalizzazione e entra nella camera di rilevamento del fotodetector. Un diodo laser emette luce attraverso un set di ottiche di focalizzazione. Quando la luce entra in contatto con le particelle del campione, viene diffusa in tutte le direzioni. Un fotodetector converte questa luce in una tensione, calibrata rispetto a una concentrazione di massa di aerosol nota (mg/m3). In alcuni strumenti, una parte del campione viene prelevata dal flusso d'aria principale, filtrata e reintrodotta come aria di rivestimento. L'aria di rivestimento circonda il campione di particelle per proteggere le ottiche dello strumento dall'intasamento. I fotometri misurano tipicamente intervalli di dimensione delle particelle da 0,1 a 10 μm di diametro con concentrazioni che vanno da 0,01 a 100 mg/m3 o più. I fotometri non possono "vedere" particelle inferiori a 0,1 μm (particelle ultrafini) perché sono troppo piccole per diffondere quantità rilevabili di luce. I fotometri misurano il segnale aggregato da una "nuvola" di particelle e non sono progettati per rilevare particelle individuali, anche quando sono relativamente grandi.

La maggior parte dei fotometri sono calibrati contro una polvere di prova standard, comunemente chiamata Polvere di Strada dell'Arizona. Questa calibrazione è una buona approssimazione per la maggior parte degli aerosol ambientali. Poiché le misurazioni ottiche dipendono dalle proprietà delle particelle come dimensione e materiale, ci possono essere momenti in cui una calibrazione personalizzata migliorerebbe l'accuratezza per un aerosol specifico.

Contatori ottici di particelle

I contatori ottici di particelle misurano la dimensione delle particelle e la concentrazione di numero rilevando la luce diffusa da particelle individuali. Sono stati tradizionalmente usati per il monitoraggio di camere pulite, ma hanno recentemente trovato applicazione nel test di filtri, nel monitoraggio ambientale esterno e negli studi sulla qualità dell'aria interna. Particelle singole vengono aspirate attraverso un raggio laser focalizzato e producono un lampo di luce, come illustrato in Figura 2. L'intensità della luce diffusa è una funzione complessa del diametro, forma e indice di rifrazione della particella, così come della lunghezza d'onda della luce e della geometria del rilevatore ottico. Un fotodetector misura la quantità di luce che ogni particella diffonde e registra un conteggio per ciascun intervallo di dimensione o bin calibrato.

L'intervallo di dimensione misurato è tipicamente da 0,3 a 20 μm di diametro, e la concentrazione di numero è limitata a un massimo di 2.000.000 di particelle/ft3 (70 particelle/cm3). Gli OPC sono calibrati con perle di lattice di polistirene sferiche, perfettamente uniformi, di indice di rifrazione noto. La dimensione misurata di una particella sconosciuta è quindi la "dimensione equivalente di scattering della luce" rispetto alla particella di calibrazione nota. La dimensione fisica reale può essere molto diversa da questa.

Contatori di particelle a condensazione

I contatori di particelle a condensazione, talvolta chiamati contatori di nuclei di condensazione, sono strumenti specializzati che ingrandiscono prima particelle molto piccole a una dimensione otticamente rilevabile. Sono eccellenti nel contare particelle in intervalli di dimensione invisibili agli OPC e ai fotometri. I CPC sono usati per una varietà di applicazioni che vanno dal test di adattamento di respiratori, allo studio dell'inquinamento atmosferico esterno, alla ricerca di base. Sono particolarmente adatti per tracciare gli inquinanti indoor fino alla loro fonte. Come mostrato in Figura 3, le particelle vengono continuamente aspirate nello strumento e fatte passare attraverso un vapore di alcool caldo. La miscela poi fluisce attraverso una sezione condensatore dove il vapore di alcool si condensa sulle particelle e le "crescita" in goccioline più grandi. Le goccioline individuali passano quindi attraverso il punto focale di un raggio laser, producendo un lampo di luce. Ogni lampo di luce viene contato come una singola particella.

La gamma di dimensioni misurata è tipicamente da meno di 0,02 a oltre 1,0 μm di diametro. La concentrazione di numero varia da zero a più di 500.000 particelle/cm3 (15.000.000.000 particelle/ft3). La misurazione della concentrazione non dipende dalla dimensione o dalle proprietà del materiale della particella.

Tutti e tre i tipi di strumenti — fotometri, contatori ottici di particelle e contatori di particelle a condensazione — hanno un loro ruolo nelle indagini sulla qualità dell'aria interna. Abbinare la tecnologia appropriata alla tua applicazione particolare fornirà i dati necessari per comprendere e migliorare la qualità dell'aria nel tuo edificio. I fotometri, che misurano la concentrazione di massa, forniscono i dati necessari per confrontare gli standard e le linee guida sulla qualità dell'aria. Gli OPC offrono una comprensione aggiuntiva delle concentrazioni di numero di particelle e degli intervalli di dimensione delle particelle di medie dimensioni, aiutando a identificare la probabile fonte e l'impatto sulla salute. Infine, i CPC offrono approfondimenti sulle particelle ultrafini che stanno emergendo come una nuova importante metrica sulla qualità dell'aria interna, che può giocare un ruolo significativo nella salute e nel comfort degli occupanti dell'edificio.

TSI Incorporated è un fornitore mondiale di strumenti innovativi per la sicurezza, il comfort e la salute delle persone. I rappresentanti e distributori di TSI in tutto il mondo si concentrano sull'aiutare i clienti a risolvere problemi di misurazione unici legati alla qualità dell'aria interna, ventilazione, test di adattamento di respiratori, rilevamento di gas e campionamento di particelle.