2024-01-29
Inuti partikelmätaren - filterprovtagare
För en tid sedan publicerade OPSIS beskrivningar av hur några väletablerade typer av gasanalysatorer fungerar, nämligen de som baseras på spektrometrar, interferometrar och avstämbara diodlasrar. De utnyttjar alla absorption av ljus för att bestämma koncentrationerna av gasformiga föroreningar som kväveoxider (NOX), svaveldioxid (SO2), väteklorid (HCl), ammoniak (NH3) och många fler. Samma teknik används både för övervakning av luftkvaliteten och för industriella tillämpningar. Men hur fungerar en partikelmmätare?
Först och främst måste vi skilja mellan partiklar i omgivningsluften och partiklar, även kallat damm, i industriella tillämpningar. Koncentrationerna är mycket olika och olika typer av övervakningstekniker används vanligtvis. Låt oss titta på filterprovtagningstekniken som är en vanlig metod för övervakning av luftkvaliteten, även om den också har några tillämpningar i industriella processer.
MÄTPRINCIPER
Vid provtagning av omgivningsluft görs vanligen ett första urval av partikelfraktioner, ofta med undantag för partiklar med medeldiametrar större än 10 eller 2,5 µm, därav benämningarna ”PM10” och ”PM2,5”. Detta uppnås genom utformningen av luftintagen, som kallas inloppshuvuden eller provtagningshuvuden. En noggrant kontrollerad luftström tas genom inloppshuvudet och tvingas sedan genom ett filter. Efter provtagningsperioden analyseras filterinnehållet.
INsugsHUVUD
Insugshuvudet säkerställer att den önskade partikelfraktionen vidarebefordras till analysatorn medan andra (större) partiklar fångas upp och därmed inte ingår i mätresultaten. Huvudet är en passiv anordning, där valet av partikelstorlek orsakas av att luftströmmen tvingas genom ett rörsystem. Lätta och därmed små partiklar följer med luftströmmen medan tyngre och därmed större partiklar fångas upp inuti huvudet.
Det finns minst två grupper av insugshuvuden: Europeiska (EU-style) och US EPA (US-style). För varje grupp finns det också olika konstruktioner beroende på vilken partikelfraktion som huvudet ska välja och vilken luftflödesstandard som används.
Ett inloppshuvud av europeisk modell.
PROVTAGNING AV FILTER
Provtagningen inleds normalt med att ett orört filter flyttas in i luftflödet. Efter en viss provtagningstid flyttas det nu stoftbelastade filtret ut ur flödet för senare utvärdering. Filtren kan vara individuellt monterade på filterhållare, men det finns också konstruktioner som bygger på långa filterband på rullar vars position ökas när en ny provtagningsperiod startar. Filtermaterialet är ofta tillverkat av teflon, men även andra material som nitrocellulosa och glasfiber kan användas.
FILTERANALYS
I de flesta fall följs provtagningen av en automatiserad mätning av partiklarnas tjocklek på filtret. Tjockleken är korrelerad med den genomsnittliga densiteten, och eftersom den exponerade filterytan och den totala luftvolymen som passerat filtret under provtagningen är känd, kan partikelkoncentrationen fastställas. En vanligt förekommande metod för att mäta tjockleken är baserad på dämpning av betastrålar (elektroner).
Standardfilter för partikelprovtagning, 47 mm i diameter.
Provtagning på filter är en relativt långsam process. Själva provtagningen pågår normalt under minst en timme och i många fall under ett helt dygn (24 timmar) och det tar sedan ytterligare en eller några timmar att analysera provets tjocklek. Fördelen är att filtret bevaras, vilket möjliggör efterföljande analys av partikelsammansättningen i ett laboratorium, främst för att fastställa partiklarnas beståndsdelar, i synnerhet metallinnehållet. Analys av metallinnehåll är också den primära tillämpningen av provtagning av partiklar/damm i industriella processer.
TEOM-metoden
En annan filterbaserad princip för att mäta partikelkoncentrationer i luften är TEOM-metoden (tapered element oscillating microbalance). Ett prov som dras genom ett inloppshuvud leds till ett partikelfilter som är monterat ovanpå ett ihåligt glasrör genom vilket luften strömmar. Rörets nedre ände är ordentligt fastsatt, men den övre änden med sitt filter kan röra sig fritt och får vibrera med sin naturliga frekvens. När partiklar ansamlas på filtret ändras filtrets vikt och därmed även glasrörets egenfrekvens. Frekvensförändringen över tiden mäts, vilket ger den ackumulerade partikelvikten och, i kombination med flödeshastigheten, partikelkoncentrationen som en funktion av tiden.
Massbelastningen på filtret måste övervakas och filtret måste bytas ut manuellt innan det blir mättat. Intervallet beror på dammkoncentrationerna i den omgivande luften, men är vanligtvis månatligt eller kortare.
OPTISKA METODER
Med allt detta sagt om filterprovtagning bör det noteras att det också är ganska vanligt att mäta partikelkoncentrationer i omgivningsluften med optiska metoder, och ännu mer så i industriella tillämpningar. Inga filter används och mätresultaten levereras ofta i nära realtid.
Optiska metoder tas upp i ett annat blogginlägg - klicka här för att fortsätta läsa >>
