Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Nachweis von in einem Gas schwebenden Parti keln, wobei durch das Gas in einer Streukammer ein Strahlenbündel hindurchgeschickt wird, das dabei auf die im Gas vorhandenen Partikeln trifft und das gestreute Licht von einer lichtempfindlichen Zelle erfasst wird.
Die Partikeln können Staub-, ÖInebel- oder Rauchpartikeln sein, wobei alle diese von verschiedener Art und von geringer Grösse sind und Aerosole genannt werden und ihre Konzentration festgestellt oder überwacht werden soll.
Es ist bekannt, für den genannten Zweck einen Lichtstrahl durch einen Luftstrom mit Aerosolteilchen hindurchzuschikken, die dabei eine Lichtstreuung verursachen, welche eine lichtempfindliche Zelle trifft. Diese Zelle ist ihrerseits mit einem Instrument verbunden, an welchem das Vorhandensein von Aerosolteilchen und Variationen ihrer Konzentration abgelesen werden können.
In vorbekannten Geräten sind die Beleuchtung in der Lichtstreukammer und die lichtempfindliche Zelle in der Weise angeordnet, dass nur ein ziemlich kleines Aerosolvolumen in jedem Augenblick gleichzeitig das Streulicht erzeugt, das die lichtempfindliche Zelle trifft. Der Lichtfluss ist proportional zur Anzahl der die Streuuung erzeugenden Partikeln und zu der Intensität des einfallenden Lichtes. Wenn das Aerosolvolumen gering, d. h. die Anzahl der Partikeln klein ist, ist eine grosse Stärke des einfallenden Lichtes oder eine hohe Empfindlichkeit der Detektorvorrichtung (Detektor und Verstärker) erforderlich, um sichere Messungen des Streulichtes zu ermöglichen. Eine grosse Lichtstärke der Beleuchtungslampe erfordert mit den bisher gewöhnlich benutzten Lampen (Glühlampen) eine hohe Leistung (oft um 30 W), was keinen Batteriebetrieb ermöglicht.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, um einen grösseren Wirkungsgrad der Lichtstreuung zu erhalten und dadurch den Vorteil einer zuverlässigen Ablesung der auftretenden Aerosolmenge. Dies wird durch eine Vorrichtung erreicht, die die Aufnahme der Lichtstreuung von einem verhältnismässig grossen Aerosolvolumen in einem breiten Winkelbereich bis zu ziemlich kleinen Streuwinkeln ermöglicht, welch letzterer Umstand mit Rücksicht auf die Beziehung zwischen dem Streuwinkel und der Stärke des Streulichtes von Vorteil ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein für die Ausführung des Verfahrens geeignetes Gerät, ein sogenanntes Aerosolphotometer, das einen einfachen Aufbau und einen geringen Leistungsverbrauch hat und handlich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist für die vorerwähnten Zwecke dadurch gekennzeichnet, dass die Streukammer, durch die der Luftstrom geleitet wird, eine langgestreckte Form besitzt, dass das Strahlenbündel die Kammer in deren Längsrichtung durchquert, und dass das Prüfgas ebenfalls durch die Streukammer geleitet wird, so dass die in dem Gas befindlichen Partikeln während des grössten Teils ihres Durchgangs durch die Streukammer sich in dem Strahlenbündel befinden.
Das für die Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehene Gerät, welches eine Streukammer mit Einlass und Auslass für das zu prüfende Gas und eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels sowie eine lichtempfindliche Zelle zur Aufnahme des von den im Gas vorhandenen Partikeln gestreuten Lichtes aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Streukammer länglich ist, ein Einlass und ein Auslass an den Enden der Kammer für den Durchgang des Gases in der Längsrichtung der Kammer angeordnet sind, und dass das Strahlenbündel in Längsrichtung der Kammer verläuft.
Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes Gerät,
Fig. 2 ein abgeändertes Teil des Gerätes nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Gerät in einer anderen Ausführungsform,
Fig. 4 schematisch ein Schaltbild.
Gemäss Fig. 1 umfasst das nachfolgend beschriebene Gerät eine Röhre 1 mit offenen Enden und daselbst angeordneten Lichtschleusen 2 und 3, die den Durchgang des zu prüfenden Gases ermöglichen, aber das Eindringen von Lichtstrahlen verhindern. Die Lichtschleusen 2 und 3 können auch anders aufgebaut sein als die Schirme, die schematisch in der Figur dargestellt sind. Die Röhre 1 ist innen überall geschwärzt, so dass ihre Wände lichtabsorbierend sind. Ebenso sind die Lichtschleusen 2 und 3 geschwärzt. Der zwischen den Lichtschleusen liegende Teil der Röhre 1 bildet eine Lichtstreukammer 4.
An einer Wand der Röhre 1 ist eine Lichtquelle 5 angeordnet, z. B. eine solche Glühlampe, die ein homogenes, paralleles Lichtbündel liefert. Die Lichtquelle 5 ist gegen die Mitte der Röhre 1 und zweckmässigerweise auch an den Seiten durch einen Schirm 6 abgeschirmt. Vor der Lichtquelle 5 liegen mehrere Blenden 7. Die Lampe ist an einem Ende der Streukammer anzuordnen, die Ausgestaltung des Lampengehäuses, der Beleuchtungsoptik und die Lage im Verhältnis zur Mittelachse der Streukammer kann aber unter Berücksichtigung des vorgesehenen Anwendungsgebietes des Gerätes und je nach den wirtschaftlichen Umständen verschiedenartig ausgeführt sein.
In dem vor der Lichtschleuse 3 liegenden Wandungsteil der Röhre 1 befindet sich eine Öffnung 8, hinter der eine lichtempfindliche Zelle 9, z. B. einer CdS- oder CdSe-Zelle, mit Zuleitungsdrähten 10 zu einem Messinstrument angeordnet ist.
Angrenzend an die Öffnung 8 und um die Zelle 9 herum befindet sich eine dichtschliessende Kappe 11 mit geschwärzter Innenseite, so dass dort keine Lichtreflexion entsteht.
Die Lichtquelle 5 und die Blenden 7 sind so angeordnet, dass das Strahlenbündel 12 so nahe als möglich an der Licht aufnehmenden Fläche der Photozelle 9 vorbeiläuft, ohne jedoch auf diese aufzutreffen.
Die Funktion des Gerätes ist folgende. Es wird vorausgesetzt, dass die Lichtquelle 5 das Strahlenbündel 12 erzeugt.
Wenn dieses auf die Aerosolpartikeln in der Streukammer 4 der Röhre 1 auftrifft, wird das Licht gestreut, so dass die Photozelle 9 vom Streulicht getroffen wird, dessen Lichtstärke an dem an die Zelle angeschlossenen Messinstrument abgelesen werden kann. Die Streukammer 4 ist länglich und das Strahlenbündel 12 durchquert die Kammer in ihrer Längsrichtung und somit über einen bedeutenden Teil des Kammervolumens.
Dadurch wird eine grosse Anzahl von Aerosolpartikeln vom Strahlenbündel getroffen, was eine erhebliche Lichtwirkung auf die Photozelle 9 zur Folge hat, so dass sich ein zuverlässiger Ablesewert am Messinstrument ergibt.
Der erforderliche Luftdurchsatz durch die Streukammer 4 kann durch einen Luftstrom in der einen oder anderen Rich tung auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. kann die Röhre vertikal stehen, so dass eine Kaminwirkung erzielt wird, oder sie kann in einem Luftstrom angeordnet sein, oder die Röhre wird von Hand mit dem einen oder anderen Ende in Vorwärts richtung bewegt, so dass Luft durch die Röhre gedrückt wird.
Es können aber auch mechanische Mittel angewandt werden, um Luft durch die Röhre zu treiben.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung mit einer lichtempfind lichen Zelle 9 kann gemäss Fig. 2 abgewandelt werden. Hier bei wird eine Röhre 1' mit einer Öffnung 8' versehen, die mit einer Kappe 11' überdeckt ist. In dieser ist ein Lichtsammler
13 in Form eines Pyramidenstumpfes oder eines Kegelstump fes angeordnet, dessen Grundfläche zur Öffnung 8' und dessen Scheitelfläche zu einem Photodetektor oder einer Photozelle 14 hin gewendet ist. Der Lichtsammler kann aus einem homogenen Körper aus optisch klarem Material mit totalreflektierender Aussenfläche bestehen oder hohl mit spiegelnden Innenwänden sein. Das in den Lichtsammler eindringende und durch diesen hindurchgehende Licht wird in der Richtung zur Zelle 14 konzentriert, an welche ein nicht dargestelltes Messinstrument angeschlossen ist.
In Fig. 1 und 2 ist nur eine lichtempfindliche Zelle 9 bzw. 14 gezeigt, es können aber mehrere mit oder ohne Lichtsammler aussen über den Röhrenumfang verteilt angeordnet sein, wobei das Strahlenbündel zentral durch die Streukammer laufen kann.
Das Gerät gemäss Fig. 1 und 2 ist in seiner Ausführung einfach, aber trotzdem wirkungsvoll und besteht aus leichten Teilen, so dass es zur Probenahme an verschiedenen Stellen, wie im Freien, in Fabrikräumen oder anderen Räumlichkeiten, mitgetragen werden kann. Es kann dabei besonders vorteilhaft als tragbarer Rauchgasdetektor verwendet werden. Es ist auch noch ohne weiters tragbar, wenn ein Schreiben oder ein Registrierinstrument mit dem an die Zelle angeschlossenen Messinstrument verbunden ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Aerosolphotometers. In einem länglichen Körper 20 ist in dessen Achse eine Lichtquelle 21 angeordnet, z. B. eine Linsenglühlampe und ein Kondensorsystem 22, das eine nicht dargestellte Blende und eine Linse enthält. Dadurch wird ein leicht konvergentes Strahlenbündel 23 in eine Streukammer 24 und zu einer Lichtfalle 25 in Form eines Zylinders mit Boden gerichtet. Die Streukammer 24 besteht aus zwei verschieden grossen Kegelstümpfen 24' und 24", die an ihren Schmalenden zusammenhängen. Am kleinen Kegel 24', in Fig. 3 der rechte, ist das Kondensorsystem 22 angeschlossen. Der Strahl durch die Streukammer liegt konzentrisch zur gemeinsamen Achse der beiden Kegel 24' und 24", d. h. konzentrisch zur Längsachse der Streukammer 24.
Das an der gemeinsamen Scheitelfläche der beiden Kegel gebildete Verbindungsloch 26 hat einen Durchmesser, der gleich gross oder etwas grösser ist als der Durchmesser des Strahlenbündels 23 an dieser Stelle. In den kleinen Kegelstumpf 24' mündet nahe dem Verbindungsloch 26 ein Einlassrohr 27 für die Prüfluft und vom grossen Kegelstumpf 24" geht ein Auslassrohr 28 weg, das mit der Lichtfalle 25 zusammengebaut ist und mit einem Loch im Boden der Lichtfalle in Verbindung steht. Das Auslassrohr 28 ist ausserdem mit seitlich gerichteten, das Licht abschirmenden Löchern versehen, um das Heraussaugen der Prüfluft aus der Lichtfalle 25 zu erleichtern. Die Innenseite der Streukammer 24, die Lichtfalle 25 und die Rohre 27 und 28 sind sorgfältig geschwärzt. Die Streukammer kann eventuell durchbrochene Seitenwände mit Lichtschirmen haben.
Durch die beschriebene Ausführung der Streukammer und die Beleuchtung erhält man den Vorteil, dass das ganze Luftprüfvolumen beim Durchgang durch das Verbindungsloch 26 beleuchtet wird. Beim weiteren Strömen der Luft durch den Kammerteil 24' liegt ferner das Luftprüfvolumen die ganze
Zeit im Gange des Strahlenbündels.
An die Streukammer 24 ist die Grundfläche eines Licht sammlers angeschlossen, der gemäss Fig. 3 aus zwei aneinan der stossenden Kegelstümpfen 29 und 30 besteht, wobei die zur Streukammer des Kegelstumpfes 29 gewendete Grundflä che als Sammellinse ausgebildet sein kann. Die Lichtsammel kegelstümpfe 29 und 30 sind als ein zusammenhängender
Körper aus durchsichtigem Material, z. B. Plexiglas, mit polier ter Oberfläche hergestellt, so dass man eine Totalreflexion der
Strahlen aus dem Innern des Kegelstumpfes zur Oberfläche für
Lichteinfallswinkel erhält, die grösser sind als der Totalrefle xionswinkel. Als Behelf kann der Lichtsammler ein Hohlkör per mit reflektierender Innenseite sein.
Der kegelstumpfförmige Lichtsammler hat den Vorteil, dass man mit ihm Licht mit einem Streuvolumen von ziemlich erheblichem Ausmass sowohl in der Tiefe als auch nach den Seiten auf eine kleine Fläche konzentrieren kann.
Um viel Streulicht zu sammeln, ist die Eintrittsfläche des Kegelstumpfes 29 so gross als möglich, und das aufgefangene Licht wird mit möglichst geringen Verlusten auf das Austrittsende des Kegelstumpfes 30 konzentriert, der an seinem verjüngten Ende den gleichen Durchmesser hat wie eine direkt daran angeschlossene lichtempfindliche Zelle 31. Als solche Zelle können verschiedene Detektortypen benutzt werden, z. B. die marktgängigen Photowiderstände aus CdS oder CdSe.
Die Zelle 31 ist in einen massiven Block 32, beispielsweise aus Aluminium eingebaut und in dem gleichen Block 32 ist eine Bezugszelle 33 von der gleichen Art wie die Zelle 31 einmontiert. Die Zelle 33 ist mittels eines Plexiglasstabes 34 oder eines anderen Lichtleiters, z. B. eines Faserbündels, an die Kammer mit der Lichtquelle 21 angeschlossen und zwischen der Lichtquelle und dem nahegelegenen Ende des Stabes 34 befindet sich eine verstellbare Blendenvorrichtung 35.
Fig. 4 zeigt die Prinzipschaltung der lichtempfindlichen Zellen 31 und 33 in einer Widerstandsmessbrücke. Diese enthält in bekannter Weise zwei gleich grosse, konstante Widerstände 36 und 38 für Feineinstellung, einen Verstärker 39, ein Anzeigeinstrument oder einen Schreiber 40 und eine Batterie 41. Zusätzlich kann eine Registriervorrichtung an den Verstärker 39 angeschlossen sein.
Das Gerät gemäss Fig. 3 sowie die Schaltung nach Fig. 4 arbeiten wie folgt: Von der Lichtquelle 21 wird zur Lichtfalle 25 ein konzentriertes Strahlenbündel 23 gerichtet. Die Prüfluft wird der Streukammer 24 z. B. so zugeführt, dass diese 60-70 Luftwechsel in der Minute erhält. Dies erfolgt zweckmässigerweise durch die Saugwirkung des Auslassrohres 28, das für diesen Zweck an eine Saugvorrichtung angeschlossen ist, die eine von Hand oder elektrisch getriebene Saugpumpe, eine CO2-getriebene Ejektorpumpe usw. sein knn, je nach dem, ob es sich um einzelne Punktmessungen oder Grossmesserien handelt.
Beim Durchgang der Prüfluft durch das Verbindungsloch 26 wird das ganze Prüfvolumen vom Strahlenbündel 23 beleuchtet, und beim weiteren Strömen der Prüfluft durch die Streukammer 24 bis zur Lichtfalle 25 liegt das Prüfvolumen während der ganzen Zeit im Strahlenbündel. Hierdurch trifft das Bündel während einer längeren Strecke auf Prüfluft und auf eine grössere Menge von Aerosolpartikeln in der Prüfluft auf, als wenn es, wie früher, nur quer durch einen Prüfluftstrom gerichtet wäre. Wenn die Aerosolpartikeln die Strecke vom Verbindungsloch 26 bis in die Nähe der Lichtfalle 25 passieren, streuen sie das Licht, das auf die Grundfläche des Licht sammlerkegelstrumpfes 29 trifft, worauf das Licht im Lichtsammler 29, 30 zur lichtempfindlichen Zelle 31 geleitet und auf diese konzentriert wird. Seine Stärke kann dann an dem Anzeigeinstrument 40 abgelesen werden.
Die Messbrücke nach Fig. 4 ist vorher auf reine Luft eingestellt worden und dadurch auf Null gestellt worden, dass die Bezugszelle 33 mit einem mit der Blendenvorrichtung 35 geregelten Teil des Lichtes von der Lichtquelle 21 beleuchtet worden ist, welcher Teil durch den lichtleitenden Stab 34 zur Bezugszelle 33 geleitet worden ist.
Durch die Montage der Zellen 31 und 33 in dem gleichen Block, durch die sie die gleiche Temperatur erhalten, und durch Nullstellung der Messbrücke wird ein Ausgleich für die Einflüsse äusserer Temperaturänderungen auf die Zellen 31 und 33, sowie für die Änderungen des Lichtstromes der Lichtquelle erreicht; diese Änderungen können beispielsweise von der Batterie herrühren. Durch diese Ausgleichmassnahmen wird ein hoher Grad von Stabilität und eine hohe Zuverlässigkeit der Instrumentanzeige erreicht.
Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens und des Gerätes sind vor allem. dass die Lichtstreuung der Aerosole während ihres Durchgangs durch einen relativ langen Teil des Strahlenbündels erfolgt. so dass eine bedeutende Lichtmenge die lichtempfindliche Zelle trifft, dass das Gerät schnellen Ausschlag gibt, da das Volumen der Streukammer so klein als möglich ist, dass die Empfindlichkeit des Gerätes unter Berücksichtigung seines einfachen Aufbaus besonders hoch ist, dass der Leistungsverbrauch gering ist, so dass die Batterie ausreichend hierfür ist, und dass das Gerät leicht in der Handhabung ist.