Hiukkaspäästöjen mittaus Juha-Matti Hirvonen MIKES-Aalto 24.3.2010
Sisältö Hiukkaset Koot Synty Terveysvaikutukset ja kustannukset Lainsäädäntö Kansallinen EU Mittausmenetelmiä Mekaaniset Sähköiset Optiset Omat mittaukseni
Hiukkaset Karkeat hiukkaset: d < 10µm Elimistö kohtuullisen vastustuskykyinen Jäävät yläilmateihin Pienhiukkaset: d < 2, 5µm Kulkeutuvat alailmateihin Ultrapienet hiukkaset: d < 0, 1µm Saattavat päästä keuhkorakkulan sisään
Kokojakauma Hiukkasten kokoa mallinnetaan Log-Norm jakaumalla f X (x) = 1 xσ (ln x µ) 2 2π e 2σ 2 Matlab: exp(randn*sigma2+median)
Kokojakauma...
Log-Norm jakauma Vastaa todellisuutta Matemaattisesti helppo käsitellä Ei fysikaalista selitystä
Alkuperä Suomessa alailmakehän hiukkasista yli puolet energiantuotannosta 1 3 liikenteestä (Ympäristökeskus, 2006) Reaktiot ilmakehässä Esim. koagulaatio, märkädepositio Yleensä haitallisuus vähenee Kulkeutuma tuhansia kilometrejä
Terveysvaikutukset CAFE: Elinikä lyhenee 9kk Suomessa 1300 ennenaikaista kuolemaa (v 2000) Euroopassa 350 000 ea. kuolemaa W HO: Euroopassa 100 000 400 000 ea.kuolemaa Vuosikustannukset EU:ssa 270 780 miljardia euroa Arviointi vaikeaa => isot erot Tutkimustiedon lisääntyessä arviot kasvaneet
Lainsäädäntö Suomessa nyt raja-arvo 50 µg/m 3, saa ylittyä 35 päivänä vuodessa vuosikeskiarvo 40 µg/m 3 Ilmanlaatudirektiivi (2008/50/EY) keskiarvo 25 µg/m 3 vuoteen 2020 mennessä
Lainsäädäntö... Direktiivi suurista polttolaitoksista (2001/80/EY) 30 mg/m 3 50 mg/m 3 (alle 100 MW voimala) Direktiivi jätteen poltosta (2000/76/EY) 10 mg/m 3 (jätteenpolttouunit) Käynnistys-, häiriö ja alasajotilanteille omat säädökset EU:n ulkopuolella löysemmät rajat Tiukemmat rajat tarkempi mittaus haaste mittaustekniikalle
Mittauksista yleisesti Viranomaismääräykset ja -vaatimukset Ympäristölupa Yleensä omavalvontaa Kalibrointi ja säätö Tuloksen yksikkö esim. voltti, pascal... Prosessi, polttoaine...
Vaativa ympäristö Kuumuus Tärinä Kemiallinen rasitus Sääolot
Apusuureet Virtausnopeus Epäsuorat menetelmät (laskennalliset) Pitot-putki, annubar-putki Kohtiomittaus (levy poikittain virtauksessa) Termiset mittaukset Ultraääni Doppler-ilmiö Kosteus Lämpötila Paine
Mittaus
Näytteistys Savukanavasta näyte Tutkitaan laboratoriossa Toteutus tarkasti säädetty + Tarkka + Myös kaasuanalyysi + Kelpaa kalibrointiin - Hidas - Kallis - Ei reaaliaikainen
Paine-ero -menetelmä
β-säteilyn absorptio
Tribosähköinen menetelmä Hiukkasten hankaussähkö Mitataan virtaa Riippuu kokojakauma materiaali kosteus lämpötila turbulenssi + Nokeentuminen ei vaikuta - Ei kelpaa sähkösuodatinten kanssa
Sähköiset menetelmät
Optiset menetelmät Perustuvat valon absorptioon tai sirontaan hiukkasesta Valonlähteenä LASER, LED, hehkulamppu Yleensä näkyvää valoa Asentajan turvallisuus (UV), lämpösäteilyn häiriöt (IR) Oikea sijainti kanavassa Kosteus, auringonvalo Ei edellytä fyysistä kontaktia pienempi huoltotarve puhdistusilma Aallonpituus rajoituksena: d > λ 4
Opasiteetti Opacity (engl.) sameus, läpikuultamattomuus Single-pass double-pass
Opasiteetti... Lambert-Beerin laki: I x = I 0 e c l k k riippuu aineen ominaisuuksista k on laskettavissa Ix ln I c = 0 l k Yleensä alarajana pidetään 20 mg m 3 m 2 m kanava 10 mg m 3 Mittaustarkkuuden raja vastassa
Opasiteetti... Optinen tiheys D = log 10 I x I0 Suoraan verrannollinen hiukkaskonsentraatioon USA:ssa, Kanadassa tulos opasiteettiprosenttina O = (1 Ix I 0 ) 100 %
Opasiteetti ongelmia ja ratkaisuja Piipun tärinä, vastaanottimen paikkavaste Käytetään kollimaattorilinssiä Linssin likaantuminen vääristää tulosta
Opasiteetti ongelmia ja ratkaisuja...
Opasiteetti ongelmia ja ratkaisuja... Laserin taso vaeltelee Mitataan referenssitaso
Opasiteettimittari
Sironta Mitataan siroavaa valoa (yleensä etusuunnassa) Toimii alhaisillakin pitoisuuksilla Voidaan käyttää yhdessä opasiteetin kanssa
Skintillaatio Scintillation (eng.) välkyntä, tuikinta Verrataan läpäisevän valon kohinaa sen keskiarvoon c = VAR(I x) I x 2 Linssin likaantuminen ei vaikuta! K VAR(I x ) I x 2 = VAR( I xz ) ( Ix z )2
Skintillaatio...
Skintillaatio...
Kohinaa kohinassa
Laboratoriomittaus
Laboratoriomittaus...
Laboratoriomittaus...
Laboratoriomittaus...
Kaunis teoria karu totuus Teorian (ja simulaation) mukaan: c Var I x I x 2 Mittaukset kuitenkin indikoivat: Var I x c 2 I x
Vaimennuksen vaikutus
Vaimennuksen vaikutus...
Skintillaatio Dynaaminen opasiteetti Käytössä jo pitkään liikesalaisuus DSP Kohinan tehollisarvo
Yhteenveto Laki edellyttää varma bisnes Useita tekniikoita Sulautetut järjestelmät Riittää työtä