Learning Centre

Metrological Developments for Aerosol and Mass Measurements

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Heinonen, Martti, Dr., Metrology Research Institute, finland
dc.contributor.author Högström, Richard
dc.date.accessioned 2015-01-09T10:00:20Z
dc.date.available 2015-01-09T10:00:20Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-6027-9 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6028-6 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14888
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 58 + app. 52
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 212/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: R. Högström, J. Yli-Ojanperä, A. Rostedt, I. Iisakka, J.M. Mäkelä, M. Heinonen and J. Keskinen, ”Validation the single charged aerosol reference (SCAR) as a traceable particle number concentration standard for 10 nm to 500 nm aerosol particles”, Metrologia 48, 426-436 (2011). DOI: 10.1088/0026-1394/48/5/025
dc.relation.haspart [Publication 2]: R. Högström, P. Quincey, D. Sarantaridis, F. Lüönd, A. Nowak, F. Riccobono, T. Tuch, H. Sakurai, M. Owen, M. Heinonen, J. Keskinen and J. Yli-Ojanperä, “First comprehesive inter-comparison of aerosol electrometers for particle sizes up to 200 nm and concentration range 1000 cm-3 to 17 000 cm-3”, Metrologia 51, 293-303 (2014). DOI: 10.1088/0026-1394/51/3/293
dc.relation.haspart [Publication 3]: R. Högström, P. Karjalainen, J. Yli-Ojanperä, A. Rostedt, M. Heinonen, J.M. Mäkelä and J. Keskinen, ”Study of the PM gas-phase filter artifact using a setup for mixing diesel-like soot and hydrocarbons”, Aerosol Science and Technology 46, 1045-1052 (2012). DOI: 10.1080/02786826.2012.689118
dc.relation.haspart [Publication 4]: R. Högström, V. Korpelainen, K. Riski, L. Stenlund and M. Heinonen, ”Atomic force microscopy studies of surface contamination on stainless steel weights”, Metrologia 47, 670-676 (2010). DOI: 10.1088/0026-1394/47/6/006
dc.subject.other Physics en
dc.title Metrological Developments for Aerosol and Mass Measurements en
dc.title Metrologian kehittämistä hiukkasten ja massan mittaamiseen fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Signal Processing and Acoustics en
dc.subject.keyword filter artefact en
dc.subject.keyword inter-comparison en
dc.subject.keyword particle number concentration en
dc.subject.keyword primary standard en
dc.subject.keyword surface contamination en
dc.subject.keyword uncertainty evaluation en
dc.subject.keyword epävarmuusarvio fi
dc.subject.keyword hiukkasten lukumäärätiheys fi
dc.subject.keyword pintakontaminaatio fi
dc.subject.keyword primaarinormaali fi
dc.subject.keyword suodatinartefakti fi
dc.subject.keyword vertailumittaus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6027-9
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ikonen, Erkki, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
dc.opn Mulholland, George W., Prof., University of Maryland, USA
dc.rev Hämeri, Kaarle, Prof., University of Helsinki, Finland
dc.rev Motzkus, Charles, Dr., Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE), France
dc.date.defence 2015-01-16


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse