2024-01-29

Inuti partikelmätaren - filterprovtagare

För en tid sedan publicerade OPSIS beskrivningar av hur några vanliga 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 (NO_X), 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 mätare av partikelhalter?

Först och främst måste vi skilja mellan partiklar i omgivningsluften och partiklar, ibland 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 vid övervakning av luftkvaliteten, även om den också har några tillämpningar i industriella processer.

PRINCIPER FÖR MÄTNING

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 "PM_2,5". Detta uppnås genom utformningen av luftintagen som också kallas inloppshuvuden eller provtagningshuvuden. En noggrant kontrollerad luftström sugs in genom inloppshuvudet och tvingas sedan genom ett filter. Efter provtagningsperioden analyseras innehållet på filtret.

INLOPPSHUVUDEN

Inloppshuvudet 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 inloppshuvuden: Europeiska (”EU-typ”) och US EPA (”US-typ”). 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 typ. 

FILTERPROVTAGNING

Provtagningen inleds normalt med att ett orört filter flyttas in i luftflödet. Efter en viss provtagningstid flyttas det nu partikelbelagda 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 flyttas 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.

Oscillerande koniska element – TEOM

En annan filterbaserad princip för att mäta partikelkoncentrationer i luften är TEOM-metoden (tapered element oscillating microbalance). Ett prov som sugs in genom ett inloppshuvud leds till ett partikelfilter som är monterat ovanpå ett ihåligt glasrör genom vilket luften strömmar. Rörets nedre ände är fast 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 är mättat. Intervallet beror på partikelkoncentrationen i den omgivande luften, men är normalt månadsvis eller kortare.

OPTISKA METODER

Med allt detta sagt om filterprovtagning bör det noteras att det också är ganska vanligt att mäta partikelkoncentrationer i omgivande luft 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 >>