Metrological Developments for Aerosol and Mass Measurements

Abstract

Reliable, comparable and accurate measurement results are only achieved by having traceability to recognized primary standards. Scientific and technological progress demand for and rely on developments in already established fields of metrology, such as mass, and in new evolving fields, such as aerosol particles, where the traceability is incomplete. In this thesis, a novel device called single charged aerosol reference (SCAR) invented by Tampere University of Technology (TUT) was developed into a primary standard for particle number concentration. For this, a full metrological validation was performed for determining the uncertainty of generated particle number concentration. It was shown that the generated particles are singly charged with a standard uncertainty of only 0.16 %. As a result, SCAR is the only primary standard capable of performing calibrations in a wide size range from 10 nm to 500 nm with a relative uncertainty (k = 2) of less than 2 %. A comprehensive inter-comparison of different particle number concentration standards was performed for the first time. The particle charge concentration measurements were compared in the particle size and concentration ranges 20 nm to 200 nm and 0.16 × 10-15 C cm-3 to 2.72 × 10-15 C cm-3 (equivalent to 1000 cm-3 to 17 000 cm-3 singly charged particles), respectively. An overall agreement of ±3 % was achieve with a few exceptions at low concentrations. As a result, a solid metrological basis for particle number concentration measurements worldwide was established for the first time. A significant source of error in gravimetric measurements of vehicle particulate exhaust is the so called filter artefact, i.e. adsorption of gas phase compounds onto the sampling filter. An experimental setup based on mixing hydrocarbon vapour and soot particles was constructed for studying the effect of the filter artefact in a systematic way. Studies with teflon coated filters and pentadecane (C15H32) vapour show that both the particle concentration and the filter soot load influence the filter artefact, such that lower particle concentrations and soot loads yield more adsorption. Instability of standard weights caused by sorption effects introduces uncertainties in the realization of the unit of mass, which is the ultimate basis for traceability for most particle measurements. Atomic force microscopy (AFM) was applied for studying changes in surface contamination of stainless steel weights upon ultrasonic cleaning in ethanol and vacuum exposure. An image processing method for increasing the sensitivity of detecting changes was developed. Results show that grooves are preferential sites for adsorption of contaminants.

Luotettavia, vertailukelpoisia ja tarkkoja mittaustuloksia saadaan ainoastaan kun mittaukset ovat jäljitettävissä kansainvälisesti tunnustettuihin primaarinormaaleihin. Tieteen ja teknologian edistyminen vaatii ja edellyttää kehitystä jo vakiintuneilla metrologian aloilla, kuten massan mittauksissa, ja uusilla kehittyvillä aloilla, kuten aerosolihiukkasmittauksissa, jossa jäljitettävyys on puutteellista. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) innovaatiosta Single Charged Aerosol Reference (SCAR) primaarinormaali hiukkasten lukumäärätiheydelle. Tätä varten laitteelle tehtiin täydellinen metrologinen validointi jolla määritettiin tuotettujen aerosolihiukkasten lukumäärätiheyden epävarmuus. Tulokset osoittavat että tuotetut hiukkaset ovat kerran varattuja 0,16 % standardiepävarmuudella. Työn tuloksena SCAR on ainoa primaarinormaali jolla voidaan suorittaa kalibrointeja laajalla hiukkaskokoalueella 10 nm – 500 nm alle 2 % suhteellisella epävarmuudella (k = 2). Työssä tehtiin kattava vertailumittaus erilaisille hiukkasten lukumäärätiheyden mittanormaaleille ensimmäistä kertaa. Hiukkasten varaustiheyden mittauksia verrattiin eri hiukkaskoolla ja konsentraatiolla 20 nm – 200 nm ja 0.16 × 10-15 C cm3 – 2.72 × 10-15 C cm-3 (joka vastaa 1000 cm-3 – 17 000 cm-3 kerran varattua hiukkasta). Tulokset olivat pääosin yhteneväiset ja ±3 % sisällä toisistaan muutamia pienillä konsentraatioilla havaittuja poikkeuksia lukuun ottamatta. Tämä luo vankan metrologisen perustan aerosolihiukkasten lukumäärätiheyden mittauksille maailmanlaajuisesti. Merkittävä virhelähde ajoneuvojen hiukkaspäästöjen gravimetrisessa mittaamisessa on ns. suodatinartefakti, eli kaasumaisten yhdisteiden adsorptio näytteenottosuodattimelle. Tutkiaksemme systemaattisesti suodatinartefaktin vaikutusta rakensimme koejärjestelyn joka perustuu kaasumaisten hiilivetyjen ja nokihiukkasten sekoittamiseen. Teflon-pinnoitetuilla suodattimilla ja pentadekaani (C15H32) höyryllä tehdyt kokeet osoittavat että sekä hiukkasten konsentraatiolla että suodattimen hiukkaskuormituksella on vaikutusta suodatinartefaktiin, siten että pienempi konsentraatio ja kuormitus johtivat suurempaan adsorptioon. Sorptio-ilmiöistä johtuva punnusten massan epästabiilisuus aiheuttaa epävarmuutta massan yksikön realisoinnissa, joka on useimpien hiukkasmittausten jäljitettävyyden perusta. Työssä hyödynnettiin atomivoimamikroskooppia (AFM) ruostumattomasta teräksestä valmistettujen punnusten pintakontaminaation muutosten tutkimiseen kun punnuksia puhdistettiin ultra-äänellä etanolissa ja altistettiin tyhjiölle. Tarkoitusta varten kehitettiin tulosten analyysimenetelmä jolla pystytään herkemmin havaitsemaan muutoksia. Tulokset osoittavat että kontaminaatio adsorboituu etupäässä pinnan uurteisiin.