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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Luft od. dgl., bei welcher Luft mittels einer Pumpe mit regelbarem Antrieb in konstanter Strömung durch ein Beimengungen der Luft auffangenden Filter gepumpt wird.
Vorrichtungen dieser Gattung sind bekannt und werden eingesetzt, um die Belastung von
Einzelpersonen durch Fremdstoffe in der Luft, beispielsweise chemische Dämpfe oder Rauchstoffe,
Staubteilchen u. dgl., zu ermitteln. Die Vorrichtung wird von der betreffenden Person getragen, wobei während der gesamten Belastungzeit Luft durch das Filter gepumpt wird. Am Ende der Belastungszeit wird das Filter entfernt und auf Fremdstoffe untersucht.
Die mit den bekannten Vorrichtungen erzielten Untersuchungsergebnisse waren insofern nicht befriedigend, als die Strömungsgeschwindigkeit der Luft nicht genau gesteuert wurde. War beispielsweise das Filter verlegt, so dass der Luftdurchtritt vorübergehend für eine bestimmte Zeitspanne blockiert oder verringert war, so war es nicht möglich, die Luftströmungsgeschwindigkeit zu erhöhen, um dadurch die
Blockierung oder Verringerung des Luftdurchsatzes zu kompensieren. Jede Verringerung der Luft- strömung verringert aber die Menge der vom Filter gesammelten Fremdstoffe und führt daher zu einer ungenauen Anzeige der Belastung der Einzelperson.
Die Erfindung zielt deshalb darauf ab, eine Vorrichtung der einleitend angegebenen Gattung so auszubilden, dass die Untersuchungsergebnisse zumindest weitgehend unabhängig von Änderungen der
Durchlässigkeit des Filters sind, so dass die geschilderten Mängel der bekannten Vorrichtungen vermieden werden.
Eine diese Aufgabe lösende, erfindungsgemäss ausgebildete Vorrichtung der einleitend angegebenen
Gattung ist gekennzeichnet durch einen mit der Pumpe in Verbindung stehenden Luftausgleichsbehälter, welcher die von der Pumpe herrührenden Druckschwankungen in der Luftströmung wenigstens teilweise ausgleicht, eine Messblende, die in einer mit dem Luftausgleichsbehälter in Verbindung stehenden und zu einem Auslass führenden Leitung angeordnet ist und in der Luftströmung einen Druckabfall erzeugt, einen parallel zur Messblende geschalteten Differenzdruckmesser, der durch Änderungen des Druckabfalles an der Messblende betätigbar ist und elektrische Signale erzeugt, einen nachgeschalteten Integratorkreis, der diese Signale integriert und ein Regelsignal erzeugt, und einen Verstärkerkreis,
der dieses Regelsignal verstärkt und dem elektrischen Antriebsmotor der Pumpe zur Drehzahlregelung zwecks Konstanthaltung der Luftströmung durch die Messblende zuführt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genau erläutert. Es zeigen : Fig. 1 im Schema den Gesamtaufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Schaltung für die Vorrichtung nach Fig. l und Fig. 3 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine elektrische Schaltung, welche eine Sensorschaltung zur Ermittlung einer zu niedrigen Luftströmung und einen Batterieprüfkreis enthält.
Die in Fig. l gezeigte Vorrichtung ist für individuellen Einsatz entworfen, kompakt ausgebildet und hat z. B. Abmessungen von etwa 31 x 68 x 18 mm. Das Gewicht ist niedrig und beträgt etwa 396 g. Die Vorrichtung kann bequem von einem Arbeiter beispielsweise in einer Tasche, an einem Gürtel oder an einem Halsband u. dgl. ohne Behinderung oder Beeinträchtigung der Arbeit getragen werden ; sie kann mit vertretbaren Kosten hergestellt werden und ist widerstandsfähig aufgebaut und gut geeignet zur Verwendung im industriellen Einsatz.
Die erfindungsgemässe Konstanthaltung der Luftströmung verbessert die Genauigkeit, mit welcher eine Vielzahl von Gefahrenquellen für eine Einzelperson überwacht werden kann. Eine Überwachung auf Vinylchloriddämpfe in industriellen Arbeitsbereichen und für toxisches Radongas und toxische verwandte Radongasprodukte in Bergwerken sind charakteristisch für wichtige Anwendungen der Vorrichtung.
Mit der Vorrichtung nach Fig. l wird Luft am Einlass--l-mit konstanter Strömungsmenge angesaugt und diese durchsetzt ein Filter-2--. Der Lufteinlass und das Filter sind über ein Rohr mit einer Luftpumpe --3-- mit regelbarem Antrieb verbunden, die durch einen Elektromotor --9-- angetrieben wird. Die Luft wird zu einem Luftausgleichsbehälter --4-- gefördert, welcher die Strömungsmenge der Luft ausgleicht und Luftdruckstösse eliminiert, die durch die Hubbewegungen der Pumpe hervorgerufen werden. Eine Messblende-5-, die beispielsweise von einem verstellbaren Nadelventil gebildet werden kann, ist in einem zur Auslassöffnung führenden Rohr angeordnet und verursacht einen Luftdruckabfall.
Ein als Differenzdruckmesser wirkender Schalter --6-- liegt parallel zur Messblende und wird durch jegliche Änderung im Luftdruckabfall betätigt. Der Differenzdruckschalter --6-- ist elektrisch mit einem
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Integratorkreis --7-- verbunden, welcher den Eingang des Schalters verarbeitet und ein elektrisches
Signal erzeugt. Das vom Integratorkreis --7-- erzeugte Signal wird dem Verstärkerkreis --8-- zugeführt, der das Signal verstärkt, das zur Steuerung der Geschwindigkeit des Elektromotors --9-- für den Antrieb der Pumpe --3-- verwendet wird, um eine konstante Luftströmungsmenge durch das Filter zu erhalten.
Der Integratorkreis und der Verstärkerkreis sind elektrisch mit einer Gleichstromquelle --11-- verbunden, die gewöhnlich aus einer Batterie besteht. Ein Ein-Aus-Schalter --10-- liegt zwischen der Gleichstrom- quelle --11-- und dem Verstärker- und Integratorkreis.
Es können auch andere Anordnungen als die vorstehend erläuterten verwendet werden. Beispiels- weise kann die Messblende mittels eines Rohres in Reihe zum Filter und der Pumpe liegen. Die Pumpe saugt einen Luftstrom durch die Messblende und durch das Filter an. Wie vorausgehend erläutert, liegt ein
Differenzdruckschalter parallel zur Messblende und ermittelt jegliche Änderung im Luftdruckabfall. Bei einem andern Ausführungsbeispiel sind ein Filter, die Messblende und ein Ausgleichsbehälter mittels eines
Rohres in Reihe mit einer Pumpe verbunden und die Pumpe saugt die Luft durch das Filter, die Messblende und den Ausgleichsbehälter an. Ein Differenzdruckschalter liegt parallel zur Messblende, um jede Änderung im Luftdruckabfall zu messen.
Das Filter --2-- der Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass es nahezu jede Art von Beimengung, wie beispielsweise Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe, zurückhält. Falls nur eine mechanische Filtrierung erforderlich ist, um beispielsweise Staubteilchen zu sammeln, denen ein Arbeiter ausgesetzt ist, wird ein Filter vorgesehen, welches Teilchen von 0, 01 pm oder grösser zurückhält. Soll das Filter ein Gas, wie beispielsweise Schwefeldioxyd, zurückhalten, so wird ein chemisches Filter verwendet, welches dieses Gas bindet. Falls Dämpfe zurückgehalten werden sollen, so wird ein Filter, beispielsweise ein Holzkohlenfilter, verwendet, welches Dämpfe zurückhält.
Am Ende der Zeitspanne, während welcher eine Person die Vorrichtung trägt, beispielsweise am Ende eines 8stündigen Arbeitstages, wird das Filter entfernt und auf den Stoff oder die Stoffe geprüft, denen die Person ausgesetzt war. Dabei kann eine einfache Zählung von Teilchen unter einem Mikroskop angewendet werden oder das Filter kann beispielsweise mittels eines Gaschromatographen untersucht werden.
Eine Pumpe mit regelbarem Antrieb wird im Dosimeter eingesetzt. Im allgemeinen wird eine Membranpumpe verwendet, die etwa 10 bis 3000 cm3/min fördert. Andere Pumpen, wie beispielsweise Kolbenpumpen, Drehkolbenpumpen und Zentrifugalpumpen können ebenfalls verwendet werden.
Die Pumpe ist elektrisch mit einem handelsüblichen Gleichstrommotor mit einer Leistung von etwa 0, 0735 bis 14, 7 W verbunden. Der Motor ist drehzahlregelbar und wird mit etwa 1000 bis 20000 Umdr/min betrieben. Unter gewissen Umständen kann ein Reduziergetriebe zwischen dem Motor und der Pumpe angeordnet sein.
Der Ausgleichsbehälter ist gewöhnlich ein einstückiger Teil des Rahmenaufbaues, auf dem die verschiedenen Bauteile befestigt sind und ist mittels geeigneter Öffnungen in den Rahmenaufbau gefräst oder geschnitten. Ein Teil des Ausgleichsbehälters kann mit einer dünnen Folie eines Elastomeren umschlossen sein, so dass jegliche von der Pumpe erzeugte Luftstromstösse leicht durch das Elastomere gedämpft werden können, das die Luftstromstösse absorbiert.
Der Zweck des Ausgleichsbehälters besteht darin, jegliche Luftstromstösse, die durch den Pumpenhub erzeugt werden, mindestens in einem gewissen Umfang auszugleichen, bevor der Luftstrom durch die Messblende hindurchtritt. Ohne den Ausgleichsbehälter kann eine gleichförmige Strömungsmenge des Luftstromes nicht erzielt werden. Das Volumen des Ausgleichsbehälters ist so klein wie möglich, aber ausreichend gross, um die Druckstösse des Luftstromes zu verringern.
Ein üblicherweise mit einer Pumpe mit einer Förderleistung von etwa 25 bis 200 cm3fmin verwendeter Ausgleichsbehälter hat eine Grösse von etwa 3, 2 x 31, 1 x 19, 1 mm und ist mit einem Elastomeren mit einer Grösse von 19, 1 x 31, 1 mm abgedeckt.
Eine Messblende, die beispielsweise aus einem einstellbaren Nadelventil besteht, ist in einem Rohr angeordnet, welches den Ausgleichsbehälter mit der Auslassöffnung verbindet. Es wird eine Messblende verwendet, die einen Druckabfall von etwa 0, 996 bis 9, 60 mbar erzugt. Gewöhnlich wird ein Druckabfall von 6, 23 bis 8, 72 mbar verwendet.
Ein Differenzdruckverstärker mit einer verhältnismässig grossen Empfindlichkeit wird verwendet und spricht auf eine Änderung des Druckabfalls in der Luftströmung von etwa 0, 250 bis 1, 25 mbar an.
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6- C5-wie-C1--.-A4-- ist angeschlossen wie --A1-- in der vorausgehend erläuterten Schaltung mit der Massgabe, dass der Widerstand an der nichtinvertierenden Eingangsklemme eliminiert ist, da er nicht benötigt wird, wenn die Spannungsabweichung des Verstärkers niedrig genug ist, um keine Wirkung auf den Integrator zu haben und ferner die Kapazität-C4- (üblicherweise 0, 5 Mikrofarad) parallel zu - geschaltet wurde,
um bei gewissen Pumpen ein schnelleres Ansprechen und einen stabileren Betrieb zu ergeben.
Der Ausgang von --A4-- wird durch den Transistor --Q3-- (üblicherweise Typ 2N 3053) verstärkt, dessen Basis über einen Widerstand-R18-- (üblicherweise 2, 2 M) mit der Ausgangsklemme von --A4-verbunden ist, wobei der Emitter von --Q3-- mit der gemeinsamen Leitung und sein Kollektor mit dem Pumpenmotor --M2-- verbunden ist. Die positive Leitung von --M2-- ist an die + Sammelleitung angeschlossen. Dieser Leistungsverstärker stellt einen weniger komplexen Schaltkreis dar als jener der Fig. 2, aber liefert den gleichen 0 bis 4, 8 V Spannungsbereich für den Motor. Das Ausgangssignal dieses Schaltkreises entspricht einer Stromkonstanzkennlinie, welche bei den meisten Pumpenanordnungen einen guten Betrieb gewährleistet.
Das Ausgangssignal von --A4-- ändert sich zwischen etwa 0 und 0, 75 V bei normalem Steuerverhalten, kann jedoch allmählich bis zu einem Sättigungspegel von näherungsweise 3 V (für eine Versorgungsspannung von 4, 0 V) ansteigen, falls die Pumpe die Luftströmung nicht aufrechterhalten kann, beispielsweise, wenn das Einlassrohr geknickt und die Luftströmung blockiert ist. Zur Ermittlung,
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invertierenden Eingangsklemme mit einem Schaltspannungspegel verbunden. Wird an der nichtinvertieren- den (+) Eingangsklemme von --A5-- eine Spannung angelegt, die einen grösseren Wert hat als der
Schaltspannungspegel, so ändert sich das Ausgangssignal von --A5-- von dem normalen Null-Wert auf einen höheren Wert von näherungsweise 4 V (bei einer Versorgungsspannung von 5 V).
Ein Widerstand --R20-- (üblicherweise 47 k ! 2) liegt zwischen der + Sammelleitung und einem Widerstand-R21-- (üblicherweise 22 kus). Die andere Seite vox-zist mit der gemeinsamen Leitung verbunden. Die Verbindungsstelle zwischen-R20 und R21--ist mit der invertierenden (-) Eingangsklemme von --A5-- verbunden.
Ein Widerstand --R23-- (üblicherweise 10 k ! 2) und eine Diode --CR6-- (üblicherweise vom Typ IN 4148) sind in Reihe geschaltet und führen die Spannung des Ausgangssignals von --A5-- der nichtinvertierenden Eingangsklemme zu, um das Ausgangssignal von --A5-- hoch zu halten, selbst wenn das ursprüngliche Spannungssignal weggenommen ist. Ein Widerstand-R24-- (üblicherweise 270 Q), eine Leuchtdiode --D2-- (üblicherweise HP 5082-4484) und ein kurzzeitig betätigbarer Schalter --SW6-- sind in Reihe zwischen der Ausgangsklemme von --A5-- und der gemeinsamen Leitung angeordnet.
Ist --SW6-geschlossen und das Ausgangssignal von --A5-- hoch, so leuchtet--D2--. Der Verstärker --A5-- kann auf ein niedriges Ausgangssignal zurückgestellt werden, indem der Schalter --SW4-- geöffnet wird, um die Stromversorgung vom Schaltkreis zu trennen. Ein Widerstand --R22-- (üblicherweise 1 MegQ) liegt zwischen der nichtinvertierenden Eingangsklemme von --A5-- und der gemeinsamen Leitung, um sicherzustellen, dass --A5-- nicht unbeabsichtigt ein hohes Ausgangssignal liefert, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird.
Die Anode einer Diode --CR5-- (üblicherweise vom Typ IN 4148) liegt zwischen der Ausgangsklemme von --A4-- und einem Widerstand-R19-- (üblicherweise 100 kSI), der seinerseits mit der nichtinvertierenden Eingangsklemme von --A5-- verbunden ist, und das von --A4-kommende Signal mit der Sensorschaltung für geringe Strömung koppelt. Der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung von --CR5-- trägt dazu bei, Störsignale daran zu hindern, die Sensorschaltung für zu geringe Strömung fälschlich auszulösen. Bei dieser Ausbildung braucht der Schaltkreis normalerweise 45 s nach Unterbrechung der Strömung, bis die Schaltung auslöst. Diese Zeitspanne kann verringert werden, indem das Verhältnis von --R20-- zu --R21-- erhöht wird.
Der Batterie-Prüfkreis gemäss Fig. 3 enthält ein aus NPN-Siliciumtransistoren --Q4 bis Q6-aufgebautes Netzwerk, um eine Vorspannung zu liefern, die gegenüber Temperaturänderungen stabilisiert ist. Ein Widerstand --R25-- liegt zwischen der t Sammelleitung und einem Punkt A. Ein Widerstand
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--R26-- liegt zwischen dem Punkt A und der Verbindungsstelle zwischen der Basis von --Q4--, dem Kollektor von --Q4-- und der Basis von --Q5--. Die Emitter von --Q4 und Q6--sind mit der gemeinsamen Leitung verbunden und der Emitter von --Q5-- ist über einen Widerstand --R28-- an die gemeinsame Leitung angeschlossen.
Ein Widerstand --R27-- liegt zwischen dem Punkt A und der Verbindungsstelle zwischen dem Kollektor von --Q5-- und der Basis von --Q6--. Der Kollektor von --Q6-- ist mit dem Punkt A verbunden. Die Widerstände --R25 bis R28-- sind derart ausgewählt, um die beste Spannungsstabilisierung am Punkt A gegenüber Temperaturschwankungen zu ergeben. Die Spannung am Punkt A ist üblicherweise 1, 5 V. Ein Widerstand --R29-- liegt zwischen der + Sammelleitung und der invertierenden Eingangsklemme von-A6-. Ein Widerstand --R30-- liegt zwischen der nichtinvertierenden Eingangsklemme von --A6-- und der gemeinsamen Leitung. Die Werte von--R29 und R30-- sind auf die
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Beim Einsatz der beschriebenen Vorrichtung wird diese von einem Arbeiter während einer 8-Stundenschicht getragen. Am Ende der Schicht wird der Schaltkreis geprüft, um zu ermitteln, ob der Einlass während dieser Zeitspanne gesperrt war, indem die Leuchtdiode (--D2-- der Fig. 3) beobachtet wird, während der kurzzeitig betätigbare Schalter (--SW6-- der Fig. 3) gedrückt wird. Leuchtet die Diode, so ist während der Schicht eine Blockierung erfolgt. Das Filter wird anschliessend der Vorrichtung entnommen und einem Labor zur Analyse übersandt, und die Ergebnisse werden in den Unterlagen des Arbeiters notiert. Falls eine sehr grosse Belastung vorhanden ist, kann der Arbeiter aus dem betreffenden Arbeitsbereich zurückgezogen werden und eine andere Arbeit erhalten.
Es ist zweckmässig, eine chemische Dosimeterbank zu unterhalten, aus der jeder Arbeiter zu Beginn seiner Schicht seine eigene Untersuchungsvorrichtung entnimmt und sie am Ende der Schicht zurückstellt.
Es kann zweckmässig sein, nur einen Arbeiter einer bestimmten Gruppe zu überwachen und zu unterstellen, dass die gesamte Gruppe der gleichen Belastung ausgesetzt war. Gegebenenfalls können einzelne Vorrichtungen ständig in bestimmten Arbeitsbereichen angeordnet werden, und die Einzelbelastung kann näherungsweise entsprechend der Zeit ermittelt werden, die ein Arbeiter in dem betreffenden Bereich zubringt.
Die Pumpe mit konstanter Durchflussmenge kann auch dazu verwendet werden, um einen am Auslass der Pumpe befestigten Probebeutel zu füllen. Dieser liefert eine Probe als Mass für die durchschnittliche Gasmenge, die während der Zeitdauer der Entnahme der Probe vorhanden war.
Unter gewissen Umständen kann es zweckmässig sein, den gesamten in der Vorrichtung verwendeten elektrischen Schaltkreis unter Verwendung üblicher Bauteile in einem kompakten Modul einzukapseln.
Dadurch würde eine lange Betriebsdauer bei erschwerten Umgebungsbedingungen ermöglicht und die Verlässlichkeit der Überwachung bei einer grossen Anzahl von Vorrichtungen erhöht.
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