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Ein Kondensationspartikelzähler oder Kondensationskernzähler englisch Condensation Particle Counter kurz CPC oder englis
Kondensationspartikelzähler
Ein Kondensationspartikelzähler oder Kondensationskernzähler (englisch Condensation Particle Counter, kurz CPC, oder englisch Condensation Nucleus Counter, kurz CNC) ist ein optisches Messgerät, mit dem kleine Partikel in der Atmosphäre (Aerosole), mit Größen von wenigen Nanometern bis Mikrometern, erfasst werden können. Die physikalischen Prinzipien, die dem Messverfahren zugrunde liegen, sind die Streulichtmessung und der Umstand, dass in einer Atmosphäre mit übersättigtem Dampf Partikel als Kondensationskerne wirken können. Um eine Kondensation zu ermöglichen, werden die für die optische Erfassung zu kleinen Partikel durch heterogene Kondensation, von beispielsweise n-Butanol oder Wasser an ihre Oberfläche, vergrößert. Im Gegensatz zu fraktionierenden Verfahren zählt die Partikelmessung mit dem Kondensationspartikelzähler zu den integrierenden Verfahren.
Aufbau und Funktionsweise
Der CPC besteht aus einem Sättiger, einem Kondensor und einer Laser-Optik zur Erfassung der Partikel.
Sättiger
Im Sättiger wird das Aerosol, bestehend aus Partikeln und Trägergas (Umgebungsluft), mit dem Dampf der verwendeten Flüssigkeit gesättigt. Der Luftstrom wird über einen nassen Schwamm geleitet, der sich in einem Gehäuse (Sättigerblock) befindet und eine erhöhte Temperatur besitzt. Im Mollier-h-x-Diagramm kann nachvollzogen werden, wie viel Flüssigkeitsdampf die Luft bei welcher Temperatur aufnehmen kann. Prinzipiell gilt, dass mit steigender Temperatur mehr Dampf von einem Gas aufgenommen werden kann. Die weiteste Verbreitung als Verdampfungsflüssigkeit haben Alkohole, wie z. B. n-Butanol oder Isopropanol.
Kondensor
Im Kondensor herrscht eine wesentlich geringere Temperatur als im Sättiger. Der gesättigte Luftstrom wird im Kondensor abgekühlt. Die Kühlung erfolgt in der Regel durch externe Kühlung. Durch die Kühlung sinkt die Menge der Flüssigkeit, die von der Luft aufgenommen werden kann. Man spricht jetzt von übersättigter Luft. Die Flüssigkeit, die von der Luft nicht mehr aufgenommen werden kann, kondensiert auf die Oberfläche der Partikel, und bildet um diese eine Hülle. Durch den größeren Durchmesser ist es nun möglich, die Partikel in einer Optik zu erfassen. Von Bedeutung für die Funktion des Kondensors ist das Verhältnis von Geschwindigkeit des Stofftransports zur Geschwindigkeit des Wärmetransports.
Eine alternative Bauform des CPC kommt ohne externe Kühlung aus, indem das zu beprobende Aerosol in einer Mischdüse mit einem warmen, dampfgesättigten, aber partikelfreien Dampfstrom gemischt wird. Die Mischung führt zu einer Übersättigung des Gases.
Allen Verfahren ist gemein, dass im Idealfall eine sprunghafte Übersättigung zur Entstehung eines monodispersen Aerosols führt. Im Realfall ist mit einer Größenverteilung zu rechnen.
Laser-Optik
Ein Laserstrahl wird an einer Blende, hinter der sich ein Detektor befindet, reflektiert. Wenn ein genügend großes Partikel den Laserstrahl durchquert, entsteht ein Streulicht, das vom Detektor hinter der Blende registriert wird. Anzahl und Stärke der so erfassten Ereignisse sind ein Maß für die Zahl der Partikel im Bereich des Laserstrahls. Die Partikelzählung erfolgt mittels Impulszählung.
Anwendungsbereiche
Mittels Kondensationspartikelzähler lässt sich je nach Ausführungsform ein Größenbereich von ca. 5 µm bis hinunter zu 3 nm abdecken. Der Messbereich hängt davon ab, welche kleinste Partikel noch zu Kondensationswachstum angeregt werden können und welche Partikel verlustfrei in das Messvolumen gelangen.
CPCs werden eingesetzt, um die Konzentration sehr kleiner Partikel in der Luft zu erfassen, die u. a. in zwei Bereichen besondere Bedeutung besitzen:
- In der Medizin: Durch ihre geringe Größe sind die messbaren Partikel lungengängig und dringen bis in die Lungenbläschen vor, wo sie Erkrankungen der Atemwege auslösen können. Kondensationspartikelzähler können hierbei als sogenannte personengebundene Monitore eingesetzt werden.
- In der Umweltphysik und Atmosphärenchemie: Aerosolpartikel besitzen einen erheblichen Einfluss auf Wetter und Klima. In der Atmosphäre lagert sich Wasser auf den Partikeln ab und es kommt zur Wolkenbildung. Außerdem wird das Klima durch die Eigenschaft der Partikel, Strahlung zu absorbieren und zum Teil wieder in den Weltraum abzugeben, beeinflusst. Dieser Effekt wird als Kühlhauseffekt bezeichnet.
Weitere Einsatzmöglichkeiten eines CPC liegen im Bereich von Filtertests und bei der Qualitätskontrolle von Prüfaerosolen.
Wird ein CPC mit einem differentiellen Mobilitätsanalysator (DMA) gekoppelt, so erhält man ein Messgerät zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung eines Aerosols, welches als Scanning Mobility Particle Sizer bezeichnet wird (SMPS).
Ein Nachteil des CPC ist, dass Informationen über die ursprüngliche Partikelgröße durch den Kondensationsvorgang verloren gehen. Darüber hinaus kann bei einer zu hohen Anzahlkonzentration an Partikeln die verfügbare Menge an Dampf zu gering sein, sodass zu kleine Partikel nicht gezählt werden können.
Literatur
- Yung-Sung Cheng: Condensation Particle Counters. In: P. Kulkarni, P. A. Baron, K. Willeke (Hrsg.): Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. 3. Auflage. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey 2011, ISBN 978-0-470-38741-2, S. 381–392 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- VDI 3867 Blatt 2:2008-02 Messen von Partikeln in der Außenluft; Charakterisierung von Prüfaerosolen; Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung; Kondensationspartikelzähler (CPC) (Measurement of particulate matter in ambient air; Methods for characterizing test aerosols; Determination of the particle number concentration and particle size distribution; Condensation Particle Counter (CPC)). Beuth Verlag, Berlin. (Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis online)
Einzelnachweise
- Leander Mölter, Patricia Keßler: Grundlagen der Partikelgrößen- und Partikelanzahlbestimmung in der Außenluft mit zählenden Messverfahren. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 64, Nr. 7/8, 2004, ISSN 0949-8036, S. 319–323.
- DIN EN 1822-1:2011-01 Schwebstofffilter (EPA, HEPA und ULPA); Teil 1: Klassifikation, Leistungsprüfung, Kennzeichnung; Deutsche Fassung EN 1822-1:2009. Beuth Verlag, Berlin, S. 10.
- VDI 3867 Blatt 2:2008-02 Messen von Partikeln in der Außenluft; Charakterisierung von Prüfaerosolen; Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung; Kondensationspartikelzähler (CPC) (Measurement of particulate matter in ambient air; Methods for characterizing test aerosols; Determination of the particle number concentration and particle size distribution; Condensation Particle Counter (CPC)). Beuth Verlag, Berlin, S. 9.
- VDI 3867 Blatt 2:2008-02 Messen von Partikeln in der Außenluft; Charakterisierung von Prüfaerosolen; Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung; Kondensationspartikelzähler (CPC) (Measurement of particulate matter in ambient air; Methods for characterizing test aerosols; Determination of the particle number concentration and particle size distribution; Condensation Particle Counter (CPC)). Beuth Verlag, Berlin, S. 3.
- Christof Asbach, Ana Maria Todea: Persönliche Exposition gegenüber ultrafeinen Partikeln im Alltag. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 76, Nr. 9, 2016, ISSN 0949-8036, S. 315–321.
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Ein Kondensationspartikelzahler oder Kondensationskernzahler englisch Condensation Particle Counter kurz CPC oder englisch Condensation Nucleus Counter kurz CNC ist ein optisches Messgerat mit dem kleine Partikel in der Atmosphare Aerosole mit Grossen von wenigen Nanometern bis Mikrometern erfasst werden konnen Die physikalischen Prinzipien die dem Messverfahren zugrunde liegen sind die Streulichtmessung und der Umstand dass in einer Atmosphare mit ubersattigtem Dampf Partikel als Kondensationskerne wirken konnen Um eine Kondensation zu ermoglichen werden die fur die optische Erfassung zu kleinen Partikel durch heterogene Kondensation von beispielsweise n Butanol oder Wasser an ihre Oberflache vergrossert Im Gegensatz zu fraktionierenden Verfahren zahlt die Partikelmessung mit dem Kondensationspartikelzahler zu den integrierenden Verfahren Aufbau und FunktionsweiseDer CPC besteht aus einem Sattiger einem Kondensor und einer Laser Optik zur Erfassung der Partikel Sattiger Im Sattiger wird das Aerosol bestehend aus Partikeln und Tragergas Umgebungsluft mit dem Dampf der verwendeten Flussigkeit gesattigt Der Luftstrom wird uber einen nassen Schwamm geleitet der sich in einem Gehause Sattigerblock befindet und eine erhohte Temperatur besitzt Im Mollier h x Diagramm kann nachvollzogen werden wie viel Flussigkeitsdampf die Luft bei welcher Temperatur aufnehmen kann Prinzipiell gilt dass mit steigender Temperatur mehr Dampf von einem Gas aufgenommen werden kann Die weiteste Verbreitung als Verdampfungsflussigkeit haben Alkohole wie z B n Butanol oder Isopropanol Kondensor Im Kondensor herrscht eine wesentlich geringere Temperatur als im Sattiger Der gesattigte Luftstrom wird im Kondensor abgekuhlt Die Kuhlung erfolgt in der Regel durch externe Kuhlung Durch die Kuhlung sinkt die Menge der Flussigkeit die von der Luft aufgenommen werden kann Man spricht jetzt von ubersattigter Luft Die Flussigkeit die von der Luft nicht mehr aufgenommen werden kann kondensiert auf die Oberflache der Partikel und bildet um diese eine Hulle Durch den grosseren Durchmesser ist es nun moglich die Partikel in einer Optik zu erfassen Von Bedeutung fur die Funktion des Kondensors ist das Verhaltnis von Geschwindigkeit des Stofftransports zur Geschwindigkeit des Warmetransports Eine alternative Bauform des CPC kommt ohne externe Kuhlung aus indem das zu beprobende Aerosol in einer Mischduse mit einem warmen dampfgesattigten aber partikelfreien Dampfstrom gemischt wird Die Mischung fuhrt zu einer Ubersattigung des Gases Allen Verfahren ist gemein dass im Idealfall eine sprunghafte Ubersattigung zur Entstehung eines monodispersen Aerosols fuhrt Im Realfall ist mit einer Grossenverteilung zu rechnen Laser Optik Ein Laserstrahl wird an einer Blende hinter der sich ein Detektor befindet reflektiert Wenn ein genugend grosses Partikel den Laserstrahl durchquert entsteht ein Streulicht das vom Detektor hinter der Blende registriert wird Anzahl und Starke der so erfassten Ereignisse sind ein Mass fur die Zahl der Partikel im Bereich des Laserstrahls Die Partikelzahlung erfolgt mittels Impulszahlung AnwendungsbereicheMittels Kondensationspartikelzahler lasst sich je nach Ausfuhrungsform ein Grossenbereich von ca 5 µm bis hinunter zu 3 nm abdecken Der Messbereich hangt davon ab welche kleinste Partikel noch zu Kondensationswachstum angeregt werden konnen und welche Partikel verlustfrei in das Messvolumen gelangen CPCs werden eingesetzt um die Konzentration sehr kleiner Partikel in der Luft zu erfassen die u a in zwei Bereichen besondere Bedeutung besitzen In der Medizin Durch ihre geringe Grosse sind die messbaren Partikel lungengangig und dringen bis in die Lungenblaschen vor wo sie Erkrankungen der Atemwege auslosen konnen Kondensationspartikelzahler konnen hierbei als sogenannte personengebundene Monitore eingesetzt werden In der Umweltphysik und Atmospharenchemie Aerosolpartikel besitzen einen erheblichen Einfluss auf Wetter und Klima In der Atmosphare lagert sich Wasser auf den Partikeln ab und es kommt zur Wolkenbildung Ausserdem wird das Klima durch die Eigenschaft der Partikel Strahlung zu absorbieren und zum Teil wieder in den Weltraum abzugeben beeinflusst Dieser Effekt wird als Kuhlhauseffekt bezeichnet Weitere Einsatzmoglichkeiten eines CPC liegen im Bereich von Filtertests und bei der Qualitatskontrolle von Prufaerosolen Wird ein CPC mit einem differentiellen Mobilitatsanalysator DMA gekoppelt so erhalt man ein Messgerat zur Bestimmung der Partikelgrossenverteilung eines Aerosols welches als Scanning Mobility Particle Sizer bezeichnet wird SMPS Ein Nachteil des CPC ist dass Informationen uber die ursprungliche Partikelgrosse durch den Kondensationsvorgang verloren gehen Daruber hinaus kann bei einer zu hohen Anzahlkonzentration an Partikeln die verfugbare Menge an Dampf zu gering sein sodass zu kleine Partikel nicht gezahlt werden konnen LiteraturYung Sung Cheng Condensation Particle Counters In P Kulkarni P A Baron K Willeke Hrsg Aerosol Measurement Principles Techniques and Applications 3 Auflage John Wiley amp Sons Hoboken New Jersey 2011 ISBN 978 0 470 38741 2 S 381 392 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche VDI 3867 Blatt 2 2008 02 Messen von Partikeln in der Aussenluft Charakterisierung von Prufaerosolen Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrossenverteilung Kondensationspartikelzahler CPC Measurement of particulate matter in ambient air Methods for characterizing test aerosols Determination of the particle number concentration and particle size distribution Condensation Particle Counter CPC Beuth Verlag Berlin Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis online EinzelnachweiseLeander Molter Patricia Kessler Grundlagen der Partikelgrossen und Partikelanzahlbestimmung in der Aussenluft mit zahlenden Messverfahren In Gefahrstoffe Reinhalt Luft 64 Nr 7 8 2004 ISSN 0949 8036 S 319 323 DIN EN 1822 1 2011 01 Schwebstofffilter EPA HEPA und ULPA Teil 1 Klassifikation Leistungsprufung 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gegenuber ultrafeinen Partikeln im Alltag In Gefahrstoffe Reinhalt Luft 76 Nr 9 2016 ISSN 0949 8036 S 315 321