Uzyskiwanie danych, których potrzebujesz, dzięki pomiarom cząstek

Uzyskiwanie danych, których potrzebujesz, dzięki pomiarom cząstek

Przez Patricia B. Keady, SI Incorporated Shoreview, Minnesota
Wydrukowano z Indoor Environment Connections listopad 2000, tom 2, numer 1

Cząsteczki, duże i małe, są ważnym czynnikiem w utrzymaniu dobrej jakości powietrza wewnętrznego. Środki kontrolne, takie jak ulepszone sprzątanie, zmodernizowane filtry czy odpowiednia konstrukcja wyciągów, są zazwyczaj prostymi działaniami. Jednak wybór odpowiedniej metody kontroli zależy od posiadania właściwych danych do podejmowania decyzji. Obecnie dostępnych jest wiele instrumentów, wykorzystujących różne technologie, które dostarczają tych informacji w czasie rzeczywistym. Pytanie brzmi: ?Która technologia jest odpowiednia dla mojej aplikacji??

Fotometry, optyczne liczniki cząstek (OPC) oraz kondensacyjne liczniki cząstek (CPC) mierzą cząstki unoszące się w powietrzu w czasie rzeczywistym. Każda technologia ma unikalną czułość na określone cechy cząstek, takie jak rozmiar, masa i współczynnik załamania światła. Tabela 1 podsumowuje podstawowe różnice w wydajności. Szczególnie zwróć uwagę na zakres rozmiarów dla każdej z nich oraz górną granicę stężeń liczbowych między OPC a CPC. Tabela 2 przedstawia typowe zastosowania dla każdej technologii pomiarowej.

Fotometry

Często używane do badań w miejscu pracy i monitorowania emisji, fotometry są dobrze przystosowane do oceny narażenia ludzi na aerozole o określonych frakcjach rozmiarowych w czasie rzeczywistym. Wykorzystują konwencjonalną technologię rozpraszania światła do dokładnego oszacowania stężeń masy cząstek. Schemat działania typowego fotometru przedstawiono na Rysunku 1. Próbka jest pobierana do instrumentu przez ciągły pompowanie. Frakcja rozmiarowa, która nas interesuje, jest aerodynamicznie ?odcięta? od strumienia powietrza na wlocie próbki za pomocą impaktora lub cyklonu. Najbardziej interesujące frakcje rozmiarowe to respirabilne, klatka piersiowa, PM10, PM2.5 i PM1.0. Próbka o określonej klasie rozmiaru przechodzi przez dyszę skupiającą i trafia do komory detektora światła. Diode laserowa emituje światło przez zestaw optyków skupiających. Gdy światło zetknie się z cząstkami, jest rozpraszane we wszystkich kierunkach. Fotodetektor zamienia to światło na napięcie, które jest kalibrowane względem znanego stężenia masy aerozolu (mg/m3). W niektórych instrumentach część próbki jest pobierana z głównego strumienia powietrza, filtrowana i ponownie wprowadzana jako powłoka osłonowa. Powłoka ta otacza próbkę cząstek, chroniąc optykę instrumentu przed zabrudzeniem. Fotometry zazwyczaj mierzą zakres rozmiarów cząstek od 0,1 do 10 μm średnicy, przy stężeniach od 0,01 do 100 mg/m3 lub więcej. Fotometry nie mogą „widzieć” cząstek poniżej 0,1 μm (cząstki ultradrobne), ponieważ są one zbyt małe, aby rozpraszać wykrywalne ilości światła. Fotometry mierzą zbiorczy sygnał od „chmury” cząstek i nie są zaprojektowane do wykrywania pojedynczych cząstek, nawet gdy są one stosunkowo duże.

Większość fotometrów jest kalibrowana względem standardowego testowego pyłu, powszechnie nazywanego Arizona Road Dust. Ta kalibracja jest dobrym przybliżeniem dla większości aerozoli otoczenia. Ponieważ pomiary optyczne zależą od rozmiaru cząstek i właściwości materiałowych, mogą się zdarzyć sytuacje, gdy niestandardowa kalibracja poprawi dokładność dla konkretnego aerozolu.

Optical Particle Counters

Opticzne liczniki cząstek mierzą rozmiar cząstek i stężenie liczbowe poprzez wykrywanie światła rozproszonego od pojedynczych cząstek. Tradycyjnie używano ich do monitorowania czystych pomieszczeń, ale ostatnio znalazły zastosowanie w testowaniu filtrów, monitorowaniu środowiska na zewnątrz oraz badaniach jakości powietrza wewnętrznego. Pojedyncze cząstki są pobierane przez skupione wiązki laserowe i wywołują błysk światła, jak pokazano na Rysunku 2. Intensywność rozproszonego światła jest złożoną funkcją średnicy, kształtu i współczynnika załamania światła cząstki, a także długości fali światła i geometrii detektora optycznego. Fotodetektor mierzy ilość światła rozproszonego przez każdą cząstkę i zapisuje liczbę dla każdego skalibrowanego zakresu rozmiarów lub kosza.

Zakres rozmiarów mierzonych cząstek to zazwyczaj od 0,3 do 20 μm średnicy, a stężenie liczbowe ograniczone jest do maksymalnie 2 000 000 cząstek/ft3 (70 cząstek/cm3). OPC są kalibrowane za pomocą idealnie jednorodnych, kulistych kulek z lateksu polistyrenowego o znanym współczynniku załamania światła. Mierzony rozmiar nieznanej cząstki jest więc jej „odpowiednikiem rozpraszania światła” w porównaniu do znanej kalibracyjnej kulki. Rzeczywisty fizyczny rozmiar może się znacznie różnić od tego.

Kondensacyjne liczniki cząstek

Kondensacyjne liczniki cząstek, czasami nazywane licznikami jąder kondensacyjnych, są specjalistycznymi instrumentami, które najpierw powiększają bardzo małe cząstki do rozmiaru wykrywalnego optycznie. Doskonale sprawdzają się w liczeniu cząstek w zakresach rozmiarów niewidocznych dla OPC i fotometrów. CPC są używane w różnych zastosowaniach, od testowania dopasowania masek respiratorów, po badania zanieczyszczeń powietrza na zewnątrz i podstawowe badania naukowe. Są szczególnie przydatne do śledzenia zanieczyszczeń wewnętrznych do ich źródła. Jak pokazano na Rysunku 3, cząstki są ciągle pobierane do instrumentu i przechodzą przez ciepłą parę alkoholu. Mieszanina ta przepływa następnie przez kondensator, gdzie para alkoholu kondensuje się na cząstkach, „rosnąc” je do większych kropli. Te pojedyncze krople przechodzą przez ognisko wiązki laserowej, tworząc błysk światła. Każdy błysk jest liczony jako jedna cząstka.

Zakres rozmiarów mierzonych cząstek to zazwyczaj od poniżej 0,02 do powyżej 1,0 μm średnicy. Stężenie liczbowe waha się od zera do ponad 500 000 cząstek/cm3 (15 000 000 000 cząstek/ft3). Pomiar stężenia nie zależy od rozmiaru ani właściwości materiałowych cząstki.

Wszystkie trzy typy instrumentów — fotometry, optyczne liczniki cząstek i kondensacyjne liczniki cząstek — mają swoje miejsce w badaniach jakości powietrza wewnętrznego. Dopasowanie odpowiedniej technologii do konkretnej aplikacji zapewni dane niezbędne do zrozumienia i poprawy jakości powietrza w budynku. Fotometry, które mierzą stężenie masy, dostarczają danych niezbędnych do porównania z normami i wytycznymi dotyczącymi jakości powietrza. OPC zapewniają dodatkowe informacje o stężeniach liczb cząstek i zakresach rozmiarów cząstek średnich, pomagając zidentyfikować prawdopodobne źródło i wpływ na zdrowie. Wreszcie, CPC oferują wgląd w cząstki ultradrobne, które obecnie pojawiają się jako ważny nowy wskaźnik jakości powietrza wewnętrznego, mogący odgrywać istotną rolę w zdrowiu i komforcie mieszkańców budynków.

TSI Incorporated jest światowym dostawcą innowacyjnych instrumentów dla bezpieczeństwa, komfortu i zdrowia ludzi. Przedstawiciele i dystrybutorzy TSI na całym świecie koncentrują się na pomaganiu klientom w rozwiązywaniu unikalnych problemów pomiarowych związanych z jakością powietrza wewnętrznego, wentylacją, testami dopasowania masek respiratorów, wykrywaniem gazów i pobieraniem próbek cząstek.