Varausjakauma aerosolin liikkuvuusmittauksessa: Hiukkassensorin virtasuhteen ja vasteen arviointi keskivarauksen ja varausjakauman perusteella
Huhtala, Janne (2022)
2022
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Master's Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202204284102
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202204284102
Tiivistelmä
Aerosolihiukkasilla tiedetään olevan hyvin merkittäviä haitallisia terveysvaikutuksia. Vahvin näyttö koskee alle 2,5 μm:n kokoisten hiukkasten massapitoisuutta, mihin ultrapienten tai nanohiukkasten (koko alle 100 nm) vaikutus on yleensä häviävän pieni. Nanohiukkasten kuitenkin uskotaan olevan merkittävässä roolissa, sillä ne voivat päästä syvälle keuhkoihin, verenkiertoon ja aivoihin. Niiden pitkäaikaisvaikutuksille on kuitenkin vasta vähän näyttöä, osin mittausverkostojen kattavuuden ja mittausdatan puutteen vuoksi.
Sensorityyppiset laitteet, nanohiukkasten osalta erityisesti sähköiset sensorit, sopivat hyvin mittausdatan määrällisen tuoton lisäämiseen ja spatiaalisen kattavuuden laajentamiseen. Sähköisillä sensoreilla voi mitata esimerkiksi nanohiukkasten hiukkaskokoa ja lukumääräpitoisuutta.
Tässä diplomityössä tutkitaan aerosolihiukkasten varausjakauman vaikutusta liikkuvuusanalysaattoriin perustuvan yksinkertaisen sähköisen hiukkassensorin toimintaan. Sensori koostuu diffuusiovaraajasta, 0. kertaluokan liikkuvuusanalysaattorista ja Faradayn kuppi -aerosolielektrometristä. Sen toimintaa ja mittaustulosten tulkintaa tutkitaan sekä laskennallisesti että kokeellisesti. Näitä tarkasteluja pohjustetaan kattavalla teoriakatsauksella hiukkasten varautumisesta, sähköisestä liikkuvuudesta ja liikkuvuusanalysaattorien toiminnasta.
Työssä osoitetaan, että sensorin toiminnasta saa kohtuullisen hyvän kuvan tarkastelemalla vain hiukkasten koosta riippuvaa keskivarausta. Lisäksi näytetään yksinkertainen menetelmä varausjakauman huomioimiseen, mikä pienentää kokeellisessa osiossa sensorilla arvioitavan hiukkaskoon ja lukumääräpitoisuuden suhteellista virhettä noin kertoimella 2 pelkkään keskivaraukseen perustuvaan laskentaan verrattuna.
Sensorityyppiset laitteet, nanohiukkasten osalta erityisesti sähköiset sensorit, sopivat hyvin mittausdatan määrällisen tuoton lisäämiseen ja spatiaalisen kattavuuden laajentamiseen. Sähköisillä sensoreilla voi mitata esimerkiksi nanohiukkasten hiukkaskokoa ja lukumääräpitoisuutta.
Tässä diplomityössä tutkitaan aerosolihiukkasten varausjakauman vaikutusta liikkuvuusanalysaattoriin perustuvan yksinkertaisen sähköisen hiukkassensorin toimintaan. Sensori koostuu diffuusiovaraajasta, 0. kertaluokan liikkuvuusanalysaattorista ja Faradayn kuppi -aerosolielektrometristä. Sen toimintaa ja mittaustulosten tulkintaa tutkitaan sekä laskennallisesti että kokeellisesti. Näitä tarkasteluja pohjustetaan kattavalla teoriakatsauksella hiukkasten varautumisesta, sähköisestä liikkuvuudesta ja liikkuvuusanalysaattorien toiminnasta.
Työssä osoitetaan, että sensorin toiminnasta saa kohtuullisen hyvän kuvan tarkastelemalla vain hiukkasten koosta riippuvaa keskivarausta. Lisäksi näytetään yksinkertainen menetelmä varausjakauman huomioimiseen, mikä pienentää kokeellisessa osiossa sensorilla arvioitavan hiukkaskoon ja lukumääräpitoisuuden suhteellista virhettä noin kertoimella 2 pelkkään keskivaraukseen perustuvaan laskentaan verrattuna.