10.6092/issn.1973-9494/1748
application/pdf
1973-9494
1748
en
Andrea Natali
Conservation Science in Cultural Heritage
Laser scattering methodology for measuring particulates in the air
Text.Serial.Journal
https://conservation-science.unibo.it/
9
Articles
2010-03-01
2009-03-01
2015-11-02
157-169
CSCH
Andrea Natali
2009
10.6092/issn.1973-9494/1748
157
1973-9494
en
169
Laser scattering methodology for measuring particulates in the air
https://conservation-science.unibo.it/article/download/1748/1129
9
L
     ASER SCATTERING METHODOLOGY FOR MEASURING
     PARTICULATES IN THE AIR

Carlo Giglioni ·
CON.TEC Engineering
Andrea Natali
Dipartimento di Storie e Metodi per la Conservazione dei Beni Culturali
Alma Mater Studiorum Università di Bologna (sede di Ravenna)


Keywords: CON.TEC Engineering, cultural heritage, fine dust, laser scattering



1. Introduction

     It is well known that the negative effects on human health besides climate implica-
tions, within the context of the phenomenon of atmospheric pollution, of fine dusts (PM
10, PM 2.5) constitute a priority [1-6].
     However, for the purposes of a proper action of preservation and of prevention with
regard to exposed cultural property and the interaction of the aforesaid dusts with these
artefacts, it is opportune to note how such action of alteration/degradation could also
occur within confined spaces, such as museums, libraries and archives [7-10].
     Particularly, the presence of a high quantity of dusts within the area where frescoes,




                                                                                                Conservation Science in Cultural Heritage, 9-I/2009
paintings, sculptures and works of art in general are situated, should be readily surveyed
to allow the prevention of any dangerous situation.
     This work relates to some applications, which are being developed at museum sites,
by the Mobile Unit for the monitoring of fine dusts (PM 10 – PM 2.5 – PM 1 with diame-
ters respectively below 10 µm, 2.5 µm, 1 µm) and the granulometric classification of the
DustMonit atmospheric particulate matter arranged by CON.TEC Engineering (Figure 1).
     The scope of the study is to provide a clearer and more trustworthy definition on the
evaluation of such dusts in an indoor environment.

2. The Mobile Unit for the monitoring of fine dusts and the granulometric classifi-
    cation of the DustMonit atmospheric particulate matter

     The DustMonit Mobile Unit uses the “laser scattering” measuring method which

·   Corresponding author: e-mail info@conteng.it


                                                                                              157
                                                                                                                                        allows the measurement, viewing and registra-
                                                                                                                                        tion of the environmental particulate concentra-
                                                                                                                                        tion in a simple and instant method, up to one
                                                                                                                                        measurement every 6 seconds. This constitutes
                                                                                                                                        one of the most important specifics of the instru-
                                                                                                                                        ment in that the survey intervals are by far less
                                                                                                                                        than the gravimetric method (which provides for
                                                                                                                                        the weighing of filters which were duly treated).
                                                                                                                                        The analyzer allows the contemporaneous and
                                                                                                                                        real time measurement of the following parame-
                                                                                                                                        ters:
C. Giglioni, A. Natali - Laser scattering methodoloty for measuring particulate in the air




                                                                                                                                        • PM10 – PM2.5 – PM1;
                                                                                                                                        • Counting of particles present in the air, divid-
                                                                                                                                           ed into 8 granulometric classes from 0.3 µm
                                                                                                                                           to 10 µm.
                                                                                                                                            The diagram is shown (Figure 2) along with a
                                                                                             Figure 1. Portable unit for monitoring
                                                                                             and granulometric classification of        brief description of the laser scattering method of
                                                                                             fine dusts in ambient air, model           measurement.
                                                                                             DustMonit,     manufactured         by
                                                                                                                                            A controlled pump with a constant flow sucks
                                                                                             CON.TEC Engineering.
                                                                                                                                        in air through a radial symmetry probe and con-
                                                                                             veys it to a chamber where the transported
                                                                                             particles are individually invested with a ray of
                                                                                             laser light.
                                                                                                 The energy reflected from each particle,
                                                                                             which is proportional to its size, is measured
                                                                                             by a high-speed photodiode which generates
                                                                                             on exit both the counting signs and those
                                                                                             relating to the characteristics of size.
                                                                                                 The system software, put into function by
                                                                                             CON.TEC Engineering, relates these values
                                                                                             with the volume unit by sending on serial line
                                                                                             RS232 a final result in the standard engineer-
                                                                                             ing unit.
                                                                                                 The graphs resulting from the findings allow    Figure 2. Diagram of the laser scattering
                                                                                             for a real time view of the situation relating to   method of measurement.

                                           158
         Figure 3. Visualization of the measurements: PM 10 (red), PM 2,5
         (blue), PM 1 (green).




                                                                                                  Conservation Science in Cultural Heritage




          Figure 4. Visualization of the measurements: granulometric classifica-
          tion of the particulate.

the PM10 dusts (in red), of the PM2.5 dusts (in blue), of the PM1 dusts (in green) (Figure 3)
and the subdivision into 8 granulometric classes from 0.3 µm to 10 µm (Figure 4).
   The concentration levels of dusts, viewed both in graphic and tabular form, can also
give an evaluation of the salubrity of the place where they are sampled.

                                                                                                159
                                                                                                The sampled data can be compared with the acceptable pollution limits in accordance
                                                                                             with existing rules.
                                                                                                The method of measurement by laser scattering is also used by public entities which
                                                                                             perform the monitoring of air pollution.
                                                                                                The measurements, which can also be performed for long periods of time (one or
                                                                                             more years), are memorized on an adequate base to allow any eventual processing even
                                                                                             by using the most common IT programs.
                                                                                                The most common application of this instrument is the evaluation, in real time, of both
                                                                                             the presence of visitors and of pollution deriving from external sources which influence
                                                                                             the quality of the environment, with the aim of the effecting, in a timely manner, any pos-
                                                                                             sible procedure to safeguard exposed works of art. This application would not be possi-
C. Giglioni, A. Natali - Laser scattering methodoloty for measuring particulate in the air




                                                                                             ble with the gravimetric method.
                                                                                                Instruments based on this method have been used by several Universities and
                                                                                             Research Centres and have given, in each circumstance, very good results in terms of
                                                                                             ease of use, trustworthiness and precision. Besides, the totality of obtained results has
                                                                                             always allowed a correct and efficient evaluation of the measurements which have been
                                                                                             taken.




                                                                                                Figure 5. Leonardo da Vinci, Cenacolo, Milano [11].

                                  160
3. The sites under review

   Particulate measurements within museum surroundings, with the use of laser scat-
tering instruments, have already been made near Leonardo da Vinci’s Cenacolo, in Milan
(Figure 5).
   Within the context of cooperation between CON.TEC Engineering and the History and
Methods Department for the Preservation of Cultural Heritage at the University of
Bologna, some surveys are being made at the Ravenna “Loggetta Lombardesca” Arts
Museum (Figures 6-7) and MIM – the Museum in Motion at Castello di San Pietro in Cerro
(PC) (Figures 8-9).
   Besides, surveys are also being conducted with the same instrument inside certain
halls of the Galleria degli Uffizi in Florence (Figure 10). In this city the instrument is used
to survey the Loggia del Lanzi in Piazza della Signoria (Figure 11).
   The findings of investigations which are underway and suitable deliberations shall
form the subject of further publications.




                                                                                                    Conservation Science in Cultural Heritage




      Figure 6. Art Museum of Ravenna city “Loggetta Lombardesca”, Ravenna
      [12].

                                                                                                  161
C. Giglioni, A. Natali - Laser scattering methodoloty for measuring particulate in the air




                                                                                                   Figure 7. Art Museum of Ravenna city Loggetta Lombardesca di
                                                                                                   Ravenna: inner room [12].




                                                                                             Figure 8. Castle of San Pietro in Cerro (PC).


                                         162
Figure 9. MIM – Museum in Motion, Castle of San Pietro in Cerro
(PC).




                                                                    Conservation Science in Cultural Heritage




Figure 10. Galleria degli Uffizi, Firenze [13].


                                                                  163
C. Giglioni, A. Natali - Laser scattering methodoloty for measuring particulate in the air




                                                                                                     Figure 11. Loggia dei Lanzi, Piazza della Signoria, Firenze.


                                                                                             4. Remarks

                                                                                                 On the basis of investigations which are still underway, the laser scattering method
                                                                                             for the measurement of particles in the air, presents remarkable advantages with regard
                                                                                             to the gravimetric method established by current rules [14]. Such advantages relate to:
                                                                                             •   its application in situations where the concentrations of pollutants are very low (this is
                                                                                                 the case with stations which are situated in rural or remote areas and confined areas
                                                                                                 such as museums, libraries, archives);
                                                                                             •   the real-time measurement of PM10 – PM2.5 – PM1 concentrations and of inhalable,
                                                                                                 thoracic and breathable dusts without the use of foreign impactors;
                                                                                             •   the real-time measurement of the number of particles for 8 different classes of sizes,
                                                                                                 without the use of foreign impactors;
                                                                                             •   non sensitivity to foreign vibrations;
                                                                                             •   no radioactive sources;
                                                                                             •   very reliable;
                                                                                             •   low maintenance [15].
                                                                                                 Cooperation with the History and Methods Department for the Preservation of Cultural
                                                                                             Heritage at the University of Bologna is also aimed at the definition and validation

                                     164
CON.TEC Laser Scattering instruments by comparison with available instruments,
responding to the analytical methods of Min. Dec. 60/2002, used in a measurement exer-
cise near scrap-yards at Porto Torres in Sardegna.
   In conclusion, the laser scattering method, although not responding to the analytical
methods established in Min. Dec. 60/22, could constitute (if validated by the measure-
ment exercise) a specifically significant piece of equipment in the provision of full infor-
mation which is difficult to acquire with conservative instruments.

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     co-diagnostiche e monitoraggio ambientale: alcuni casi di studio nel settore dei beni
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[11] http://www.istitutopontevaltellina.it/alunni/leonardo/cenacolo.jpg
[12] http://www.isc.mlib.cnr.it/Montelibretti/personali/platania/images/loggia.jpg
[13] http://www.mrfs.net/trips/2004/Italy/Florence/uffizi.jpg

                                                                                               165
                                                                                             [14] DM 60 “Recepimento della direttiva 1999/30/CE del Consiglio del 22 aprile 1999 con-
                                                                                                  cernente i valori limite di qualità dell’aria ambiente per il biossido di zolfo, il biossido
                                                                                                  di azoto, gli ossidi di azoto, le particelle e il piombo e della direttiva 2000/69/CE rela-
                                                                                                  tiva ai valori limite di qualità dell’aria ambiente per il benzene ed il monossido di car-
                                                                                                  bonio” Suppl. n. 77 alla G.U. n. 87 del 13 aprile 2002.
                                                                                             [15] http://www.conteng.it/




                                                                                                                      Metodologia “laser scattering” per la misura del particolato
C. Giglioni, A. Natali - Laser scattering methodoloty for measuring particulate in the air




                                                                                                                      nell’aria

                                                                                                                      Parole chiave: CON.TEC Engineering, patrimonio culturale, polveri sottili, laser
                                                                                                                      scattering




                                                                                                                      1. Introduzione
                                                                                                                          È ben noto che gli effetti negativi sulla salute umana nonché le implicazioni
                                                                                                                      sul clima, nell’ambito del fenomeno di inquinamento atmosferico, delle polveri
                                                                                                                      fini (PM10, PM2,5) costituiscono una priorità [1-6].
                                                                                                                          Tuttavia, al fine di una corretta azione di conservazione e di prevenzione per
                                                                                                                      quanto riguarda i beni culturali esposti e l’interazione delle suddette polveri con
                                                                                                                      tali manufatti, è opportuno far presente come tale azione di alterazione/degra-
                                                                                                                      dazione possa avvenire anche in ambienti confinati, quali musei, biblioteche e
                                                                                                                      archivi [7-10].
                                                                                                                          In particolare la presenza di un’elevata quantità di polveri nelle aree ove
                                                                                                                      sono posizionati affreschi, dipinti, sculture ed opere d’arte in genere, deve esse-
                                                                                                                      re prontamente rilevata per consentire la prevenzione di eventuali situazioni di
                                                                                                                      pericolo.
                                                                                                                          Nel presente lavoro si riportano alcune applicazioni, in corso di svolgimento
                                                                                                                      in siti museali, dell’Unità portatile per il monitoraggio delle polveri fini (PM10-
                                                                                                                      PM2,5-PM1 con diametri inferiori rispettivamente ai 10 µm, 2,5 µm, 1 µm) e la
                                                                                                                      classificazione granulometrica del particolato atmosferico DustMonit messa a
                                                                                                                      punto dalla CON.TEC Engineering (Figura1).
                                                                                                                          L’intento dello studio è quello di fornire una definizione più chiara ed affida-
                                                                                                                      bile sulla valutazione di tali polveri in ambienti “indoor”.
                                                                                                                      2. L’Unità portatile per il monitoraggio delle polveri e la classificazione
                                                                                                                      granulometrica del particolato atmosferico DustMonit
                                                                                                                         L’Unità DustMonit impiega il metodo di misura “laser scattering” che con-
                                                                                                                      sente di misurare, visualizzare e registrare la concentrazione del particolato
                                                                                                                      ambientale in modo semplice ed immediato, fino ad una rilevazione ogni 6
                                                                                                                      secondi. Questo costituisce una delle peculiarità più importanti dello strumento
                                                                                                                      in quanto gli intervalli della rilevazione sono di gran lunga inferiori rispetto al
                                                                                                                      metodo gravitometrico (che prevede la pesata di filtri opportunamente trattati).
                                                                                                                         L’analizzatore permette la misura contemporanea ed in tempo reale dei
                                                                                                                      seguenti parametri:
                                                                                                                      • PM10 – PM2,5 – PM1;


                                     166
• conteggio delle particelle presenti nell’aria, divise in 8 classi granulometriche
     da 0,3 µm a 10 µm.
     Vengono riportati lo schema (Figura 2) e una breve descrizione della meto-
dologia di misura “laser scattering”.
     Una pompa a portata costante e controllata aspira l’aria attraverso una
sonda a simmetria radiale e la convoglia in una camera dove le particelle tra-
sportate vengono singolarmente investite da un fascio di luce laser.
     L’energia riflessa da ogni particella, che è proporzionale alla sua dimensio-
ne, viene misurata da un fotodiodo ad alta velocità che genera in uscita sia i
segnali di conteggio sia quelli di caratterizzazione dimensionale.
     Il software di sistema, messo a punto dalla CON.TEC Engineering, mette in
relazione questi valori con l’unità di volume inviando sulla linea seriale RS232
un risultato finale nell’unità ingegneristica standard.
     I grafici relativi alle rilevazioni effettuate permettono una visualizzazione in
tempo reale della situazione relativa alle polveri PM10 (in rosso), PM2,5 (in
blu), PM2,5 (in verde) (Figura 3) e la suddivisione in 8 classi granulometriche
da 0,3 µm a 10 µm (Figura 4).
     Le misure delle concentrazioni delle polveri,visualizzate sia in forma grafica
che tabellare, possono dare anche la valutazione della salubrità dei luoghi dove
vengono effettuate.
     I dati rilevati possono essere confrontati con i limiti di inquinamento accetta-
bili secondo le normative vigenti.
     La metodologia di misura a laser scattering è utilizzata anche da enti pub-
blici che eseguono il monitoraggio dell’inquinamento dell’aria.
     Le misure, che possono anche essere effettuate per lunghi periodi di tempo
(uno o più anni), sono memorizzate su adeguato supporto per consentirne la
eventuale postelaborazione anche utilizzando i più comuni pacchetti informatici.
     L’applicazione più comune di questo strumento è la valutazione, in tempo
reale, di quanto la presenza del pubblico e l’inquinamento proveniente da fonti
esterne influenzi la qualità dell’ambiente, al fine di attuare, con tempestività, le
eventuali procedure di salvaguardia delle opere d’arte esposte. Tale applica-
zione non è possibile con il metodo gravitometrico.
     Strumenti che si basano su questa metodologia sono stati utilizzati da molte
Università e Centri di Ricerca ed hanno dato, in ogni circostanza, ottimi risulta-
ti in termini di facilità di utilizzo, affidabilità e precisione. Inoltre, la globalità dei
risultati conseguiti ha sempre consentito una corretta ed efficace valutazione
delle misure effettuate.
3. I siti oggetto di studio
    Le misure di particolato in ambito museale, con l’utilizzo di strumenti “laser

                                                                                                Conservation Science in Cultural Heritage
scattering”, sono già state effettuate presso il Cenacolo di Leonardo da Vinci, a
Milano (Figura 5).
    Nell’ambito di una collaborazione fra la CON.TEC Engineering e il Dipar-
timento di Storie e Metodi per la Conservazione dei Beni Culturali dell’Università
di Bologna sono in corso di svolgimento alcune rilevazioni presso il Museo d’ar-
te della città di Ravenna “Loggetta Lombardesca” (Figure 6-7) e il MIM –
Museum in Motion al Castello di San Pietro in Cerro (PC) (Figure 8-9).
    Inoltre rilevazioni con lo stesso strumento sono in essere all’interno di alcu-
ne sale della Galleria degli Uffizi di Firenze (Figura 10). In questa città lo stru-
mento verrà impiegato per rilevazioni nella Loggia dei Lanzi in Piazza della
Signoria (Figura 11).
    I risultati delle indagini in corso di svolgimento e le opportune considerazio-
ni saranno oggetto di ulteriori pubblicazioni.
4. Considerazioni
   Sulla base delle indagini ancora in corso di svolgimento, la metodologia
“laser scattering” per la misura del particolato nell’aria, presenta notevoli van-
taggi rispetto al metodo gravitometrico stabilito dalla normativa vigente (14).
Tali vantaggi sono da ricondurre a:


                                                                                              167
                                                                                                                       • applicazione nelle situazioni in cui le concentrazioni degli inquinanti sono
                                                                                                                           molto basse (questo è il caso di stazioni situate in zone rurali, remote o
                                                                                                                           ambienti confinati quali musei, biblioteche, archivi);
                                                                                                                       • misura in tempo reale delle concentrazioni di PM10, PM2,5, PM1 e delle pol-
                                                                                                                           veri inalabili, toraciche e respirabili senza l’utilizzo di impattori esterni;
                                                                                                                       • misura in tempo reale del numero di particelle per 8 diverse classi dimen-
                                                                                                                           sionali, senza l’utilizzo di impattori esterni;
                                                                                                                       • non sensibilità a vibrazioni esterne;
                                                                                                                       • assenza nella strumentazione di sorgente radioattiva;
                                                                                                                       • elevata affidabilità;
                                                                                                                       • manutenzione praticamente inesistente [15].
                                                                                                                           La collaborazione con il Dipartimento di Storie e Metodi per la
                                                                                                                       Conservazione dei Beni Culturali dell’Università di Bologna è finalizzata, anche,
                                                                                                                       alla messa a punto e alla validazione della strumentazione Laser Scattering
                                                                                                                       della CON.TEC mediante un confronto con la strumentazione, rispondente alle
                                                                                                                       modalità analitiche del DM 60/2002, impiegata in una campagna di misura a
                                                                                                                       Porto Torres in Sardegna presso siti di discarica.
                                                                                                                           In definitiva, la metodologia “laser scattering”, pur non rispondente alle
C. Giglioni, A. Natali - Laser scattering methodoloty for measuring particulate in the air




                                                                                                                       modalità analitiche stabilite dal DM 60/2002, potrebbe costituire (se validata
                                                                                                                       dalla campagna di misura) una apparecchiatura particolarmente significativa
                                                                                                                       nel fornire informazioni complete difficilmente acquisibili con strumentazione
                                                                                                                       convenzionale.




                                                                                             Summary
                                                                                             A description is given of the laser scattering method to measure PM10, PM2.5 and PM1 dusts in con-
                                                                                             firmed environments (museums, libraries, archives, art galleries, etc.). Such equipment presents
                                                                                             many advantages, in comparison with those which are actually in use, not only from an analytic but
                                                                                             also from a functional point of view.


                                                                                             Riassunto
                                                                                             Si descrive il metodo “laser scattering” per la misura delle polveri PM10, PM2,5, PM1 negli ambien-
                                                                                             ti confinati (musei, biblioteche, archivi, pinacoteche, ecc.). Tale apparecchiatura presenta molteplici
                                                                                             vantaggi, nel confronto con quelle attualmente impiegate, dal punto di vista non solo analitico ma
                                                                                             anche funzionale.


                                                                                             Résumé
                                                                                             On décrit la méthode “laser scattering” pour le mesurage des poussières PM10, PM2,5, PM1 dans
                                                                                             les milieux confinés (musées, bibliothèques, archives, pinacothèques, etc.). Cet appareillage pré-
                                                                                             sente de nombreux avantages, du point de vue non seulement analytique mais aussi fonctionnel,
                                                                                             par rapport à celui qui est employé actuellement.


                                                                                             Zusammenfassung
                                                                                             Es wird die Methode des “Laser Scattering” (Laserstreulichtanalyse) für die Messung von Stäuben
                                                                                             PM10, PM2,5 und PM1 in geschlossenen Räumen (Museen, Bibliotheken, Archiven, Pinakotheken
                                                                                             usw.) beschrieben. Dieses Gerät bietet vielfältige Vorteile gegenüber den derzeit eingesetzten, nicht
                                                                                             nur unter analytischen, sondern auch unter funktionalen Gesichtspunkten.


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Resumen
Se describe el método del “laser scattering” para la medición de los polvos PM10, PM2.5, PM1 en
los espacios culturales confinados (museos, bibliotecas, archivos, pinacotecas, etc.). Dicho disposi-
tivo presenta varias ventajas con respecto a los métodos actualmente empleados, no sólo desde el
punto de vista analítico, sino también desde el punto de vista funcional.


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                                                                                                          Conservation Science in Cultural Heritage




                                                                                                        169
