Kondensationspartikelzähler

Der Kondensationspartikelzähler (engl. Condensation Particle Counter, kurz CPC) ist ein optisches Messgerät mit dem kleine Partikel in der Atmosphäre (Aerosole), mit Größen von wenigen Nanometern bis Mikrometern, erfasst werden können. Das physikalische Prinzip, welches der Messung zugrunde liegt, ist die Streulichtmessung. Um diese zu ermöglichen, werden die für die optische Erfassung zu kleinen Partikel durch Kondensation, von beispielsweise n-Butanol oder Wasser an ihre Oberfläche, vergrößert.

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, welcher sich in einem Gehäuse (Sättigerblock) befindet und eine erhöhte Temperatur besitzt. Im Mollier-h-x-Diagramm kann nachvollzogen werden, wieviel Flüssigkeitsdampf die Luft bei welcher Temperatur aufnehmen kann. Prinzipiell gilt, dass mit steigender Temperatur mehr Dampf von einem Gas aufgenommen werden kann.

Kondensor

Im Kondensor herrscht eine wesentlich geringere Temperatur als im Sättiger. Der gesättigte Luftstrom wird im Kondensor abgekühlt, dadurch 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.

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.

Anwendungsbereiche

CPCs werden eingesetzt um die Konzentration sehr kleiner Partikel in der Luft zu erfassen, welche 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.
• 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.

Wird ein CPC mit einem differentiellen Mobilitätsanalysator (DMA) gekoppelt, so erhalt man ein Messgerät zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung eines Aerosols, welches als Scanning Mobility Particle Sizer bezeichnet wird (SMPS).

Literatur

• Yung-Sung Cheng: Condensation Particle Counters. In: Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications (Hrsg.: P. Kulkarni, P. A. Baron, K. Willeke). 3. Auflage. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey 2011, ISBN 978-0470387412, S. 381-392 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).

Weblinks

• Kondensationspartikelzähler, Produktbeschreibung von TSI