VDI 3867 Blatt 1-2009 Measurement of particulate matter in ambient air - Determination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols - Fundamentals.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREMessen von Partikeln in der AuenluftBestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrenverteilung von AerosolenGrundlagenMeasurement of particulate matter in ambient airDetermination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols Fundame

2、ntalsVDI 3867Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 5: Analysen- und Messverfahren IIVDI-RICHTLINIENICS 13.040.01 September 2009Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permi

3、ttedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.The draft of this guideline has been subject to public scrutiny after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette

4、).The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Frhere Ausgabe:02.06Entwurf,deutschFormeredition:02/06 Draft, inGermanonlyZu beziehen durch / Available atBeuth VerlagGmbH, 10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /

5、 Allrights reserved VereinDeutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf2009Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmesstechnikInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich .

6、 . . . . . . . . . . . . . 32Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Partikelgrenverteilung in der Auenluft . . 53.1 Bedeutung der Anzahlkonzentration und Anzahlgrenverteilung fr Klima und Gesundheit . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Darstellung von Grenverteilungen . . . . 73.3 B

7、eispiele fr die Bandbreite des atmosphrischen Aerosols . . . . . . . . . 94 bersicht ber Partikelzhlverfahren . . . . . 135 Kurzbeschreibung ausgewhlter Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.1 Optisches Aerosolspektrometer . . . . . . . 155.2 Flugzeitspektrometer . . . . . . . . . . .

8、. 165.3 Kondensationspartikelzhler . . . . . . . . 175.4 Elektrisches Mobilittsspektrometer . . . . 195.5 Elektrischer Niederdruckimpaktor . . . . . 216 Gertekenngren . . . . . . . . . . . . . . . 226.1 Messbereich der Partikelgre . . . . . . . 226.2 Messbereich der Partikelanzahlkonzentration. . .

9、. . . . . . 236.3 Auflsungsvermgen fr die Partikelgre. 246.4 Probennahmevolumenstrom . . . . . . . . 25Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Terms and definitions

10、 . . . . . . . . . . . . . 33 Particle size distribution in ambient air. . . . 53.1 Importance of the number concentration and number size distribution for climate and health . . . . . . . . . . . . . 53.2 Representation of size distributions . . . . 73.3 Examples of the range of the atmospheric aer

11、osol. . . . . . . . . . . . . 94 Overview of particle counting methods . . . 135 Brief description of selected measuring methods . . . . . . . . . . . . . . 155.1 Optical aerosol spectrometer . . . . . . . . 155.2 Time-of-flight spectrometer . . . . . . . . 165.3 Condensation particle counter . . .

12、. . . . 175.4 Electrical mobility spectrometer . . . . . . 195.5 Electrical low pressure impactor . . . . . . 216 Instrument parameters. . . . . . . . . . . . . 226.1 Measuring range of particle size . . . . . . 226.2 Measuring range of the particle number concentration . . . . . . . 236.3 Resolutio

13、n for particle size . . . . . . . . . 246.4 Sample flow rate . . . . . . . . . . . . . . 25B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 2 VDI 3867 Blatt 1 / Part 1Seite7 Qualittssicherung . . . . . . . .

14、. . . . . . . 257.1 Methoden zur berprfung der Gertekenngren . . . . . . . . . . . . . 257.2 berprfung der Gertekenngren . . . . 297.3 Ermittlung der Messunsicherheit . . . . . . 328 Hinweise zu Probennahme, Transport und Aufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Anhang A Beispiele fr Oberf

15、lchen-, Volumen- und Massengrenverteilungen . . . . 35Anhang B Messnetztauglichkeit . . . . . . . . . 38Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte,

16、insbesondere das des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in d

17、en VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDie Bedeutung von Aerosolpartikeln mit Durchmes-sern D 1 m.Aerodynamischer DurchmesserDurchmesser eines kugelfrmigen Partikels aus ei-nem Material mit der

18、 Dichte 1000 kg/m3, das in ruhender Luft die gleiche Sinkgeschwindigkeit be-sitzt wie das zu beschreibende Partikel.AnzahlgrenverteilungHufigkeitsverteilung der Partikelanzahlkonzen-tration, dargestellt als Funktion der Partikelgre.are also suitable for characterizing test aerosols. This Part 1 of t

19、he guideline series reviews the measuring methods and explains the measurement principles. It also defines the requirements for these methods and their performance characteristics arising from the measurement task. In the subsequent parts of guideline series VDI 3867, individual methods are describe

20、d in detail:Part 2 Condensation particle counterPart 3 Electrical mobility spectrometerPart 4 Optical particle counterPart 5 Time-of-flight spectrometerPart 6 Electrical low pressure impactorA catalogue of all available parts of this guide-line series can be accessed on the internet at www.vdi.de/38

21、67.1ScopeThis guideline reviews measuring methods for deter-mining the particle number or number size distribu-tion in ambient air and describes the measuring prin-ciples on which these methods are based. In addition, it also defines the requirements of these methods re-sulting from the measurement

22、task and their parame-ters. These methods are also suitable for characterizing test aerosols.2 Terms and definitionsFor the purposes of this guideline, the following terms and definitions apply:AerosolMultiphase system, consisting of a carrier gas and suspended solid and/or liquid particles, ranging

23、 in particle size from 0,001 m up to 100 m. Note: Atmospheric aerosols are generally subdivided into three size categories. These are the ultrafine range DP1 m. Aerodynamic diameterDiameter of a spherical particle made of a material with a density of 1000 kg/m3which in static air has the same settli

24、ng velocity as the particle to be de-scribed.Number size distributionFrequency distribution of the particle number con-centration represented as a function of particle size.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., D

25、sseldorf 2009 4 VDI 3867 Blatt 1 / Part 1quivalentdurchmesserDurchmesser eines kugelfrmigen Partikels mit definierten Eigenschaften, das sich in einem be-stimmten Experiment genauso verhlt wie das zu be-schreibende Partikel.KoinzidenzfehlerBei zhlenden Messverfahren auftretender Fehler, wenn zwei od

26、er mehr Partikel gleichzeitig erfasst und als eines gemessen werden.Anmerkung: Der Koinzidenzfehler beeinflusst sowohl die Bestim-mung der Anzahlkonzentration als auch die Bestimmung der Partikelgre.PartikelFestes oder flssiges Teilchen mit definierten physi-kalischen Grenzen.Partikelanzahlkonzentra

27、tionGesamtanzahl aller dispergierten Partikel pro Vo-lumeneinheit des Trgergases.Anmerkung: bliche Formelzeichen sind Cnoder N.PartikelgreLngenangabe zur Beschreibung der Gre eines Partikels, im Allgemeinen ein Durchmesser.Anmerkung: Die Begriffe Partikelgre und Partikeldurchmesser werden oft synony

28、m verwendet, wobei auf die Angabe des tatsch-lich ermittelten quivalentdurchmessers verzichtet wird. bli-che Formelzeichen fr den Partikeldurchmesser sind DPoder dP . Fr kugelfrmige Partikel ist die Partikelgre gleich dem geome-trischen Durchmesser der Kugel. Partikelmessverfahren bestimmen im Allge

29、meinen messprinzipspezifische quivalentdurchmesser, die sich voneinander unterscheiden knnen und deshalb nicht direkt miteinander verglichen werden drfen.PartikelgrenverteilungVerteilung eines das Partikelkollektiv beschreiben-den Hufigkeitsmaes (einer Menge) ber der Merk-malsgre Partikelgre bzw. Pa

30、rtikeldurchmes-ser.Anmerkungen:Als Merkmalsgre kann der quivalentdurchmesser verwen-det werden. Die Darstellung als Verteilungssumme gibt den nor-mierten, das heit auf die Gesamtmenge bezogenen Mengenan-teil von Partikeln an, die kleiner (oder grer) als die betrach-tete Partikelgre sind.Die erste Ab

31、leitung der Verteilungssumme bezeichnet man als Verteilungsdichte oder Wahrscheinlichkeitsdichte. Durch die Messtechnik bedingt hat man es in der Praxis aber stets mit dis-kreten Verteilungen von Partikelgren zu tun, die bei kleiner werdender Intervallbreite in die Verteilungsdichtefunktion ber-gehe

32、n.Je nach verwendetem Hufigkeitsma unterscheidet man in An-zahlgrenverteilung, Oberflchengrenverteilung, Volumen-grenverteilung und Massengrenverteilung.PartikelkonzentrationAngabe eines das Partikelkollektiv charakterisieren-den Hufigkeitsmaes (einer Menge) bezogen auf die Volumeneinheit des Trgerg

33、ases.Equivalent diameterDiameter of a spherical particle with defined prop-erties which behaves in a defined experiment in ex-actly the same way as the particle to be described. Coincidence errorError that occurs with counting measuring methods when two or more particles are counted simultane-ously

34、as a single particle.Note: Coincidence error affects the determination of both the number concentration and particle size. ParticleSmall body of solid or liquid substance with defined physical boundaries.Particle number concentrationTotal number of all dispersed particles per unit of volume of the c

35、arrier gas.Note: The usual formula symbols are Cnor N.Particle sizeA length and usually a diameter describing the size of a particle.Note: The terms “particle size” and “particle diameter” are often used synonymously, although the actually determined equivalent diameter is not stated. The usual form

36、ula symbols for the particle diameter are DPor dP . In the case of spherical particles, the particle size is equal to the geometrical diameter of the sphere. Particle measuring methods generally determine equivalent diameters which are specific to the measuring principle. These equivalent di-ameters

37、 may differ and must not be directly compared. Particle size distributionDistribution of a measure of frequency (of a quantity) describing the particle population and referring to particle size or particle diameter as the characteris-tic quantity.Notes:The equivalent diameter can be used as the char

38、acteristic quan-tity. Its representation as a cumulative distribution states the standardized share of particles in relation to the total quantity smaller (or larger) than the particle size concerned. The first derivation of the cumulative distribution is known as the distribution density or probabi

39、lity density. As a result of the measuring method, in practice only discrete distributions of par-ticle sizes are encountered that, with decreasing interval widths, merge into the distribution density function. Depending on the measure of frequency employed, a distinction is made between particle nu

40、mber distribution, surface size distri-bution, volume size distribution and mass size distribution.Particle concentrationExpresses a measure of frequency (of a quantity) characterizing the particle population and referring to the unit of volume of the carrier gas.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09D

41、CCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 VDI 3867 Blatt 1 / Part 1 5 Anmerkung: Zu einer exakten Konzentrationsangabe gehrt eine Aussage zum Gaszustand (Temperatur und Druck) oder der Bezug auf eine Normvolumenangabe.Partikelmassenkonzentra

42、tionGesamtmasse aller dispergierten Partikel pro Volu-meneinheit des Trgergases.Anmerkung: bliche Formelzeichen sind Cmoder M.PartikeloberflchenkonzentrationGesamtoberflche aller dispergierten Partikel pro Volumeneinheit des Trgergases.Anmerkung: bliche Formelzeichen sind Csoder S.Partikelvolumenkon

43、zentrationGesamtvolumen aller dispergierten Partikel pro Volumeneinheit des Trgergases.Anmerkung: bliche Formelzeichen sind Cvoder V.Stokes-DurchmesserDurchmesser eines kugelfrmigen Partikels, das bei gleicher Relativgeschwindigkeit zu einem Me-dium die gleiche Widerstandskraft erfhrt wie das zu bes

44、chreibende Partikel.StreulichtquivalentdurchmesserDurchmesser eines homogenen, kugelfrmigen Partikels aus einer Bezugssubstanz, das bei vorge-gebener Beleuchtungsart in ein definiertes Raumwin-kelelement die gleiche Strahlungsleistung streut.ZhlwirkungsgradVerhltnis der aus der Zhlrate des Messgerts

45、 ermit-telten und auf mgliche Koinzidenzfehler korri-gierten Konzentration zur tatschlichen Konzentra-tion des Aerosols am Einlass des Gerts.Anmerkung: Der Zhlwirkungsgrad hngt von der Partikel-gre ab.3 Partikelgrenverteilung in der Auenluft3.1 Bedeutung der Anzahlkonzentration und Anzahlgrenverteil

46、ung fr Klima und GesundheitDas atmosphrische Aerosol hat im Allgemeinen eine relativ kurze Lebensdauer von wenigen Tagen bis zwei Wochen in der Grenzschicht oder wenige Wochen in der freien Atmosphre. Die Anzahlkon-zentration, Anzahlgrenverteilung und die chemi-sche Zusammensetzung variieren rumlich

47、 und zeit-lich sehr stark und wirken deshalb regional und zeit-lich unterschiedlich auf das Klima, das Wohlbefinden und die Gesundheit.Note: An exact concentration must contain details of the gas state (temperature and pressure) or reference to a standardized volume. Particle mass concentrationTotal

48、 mass of all dispersed particles per unit of vol-ume of the carrier gas.Note: The usual formula symbols are Cmor M.Particle surface concentrationTotal surface area of all dispersed particles per unit of volume of the carrier gas.Note: The usual formula symbols are Csor S.Particle volume concentratio

49、nTotal volume of all dispersed particles per unit of volume of the carrier gas.Note: The usual formula symbols are Cvor V.Stokes diameterDiameter of a spherical particle which at the same velocity through a medium experiences the same drag force as the particle to be described. Scattering light equivalent diameterDiameter of a homogeneou