CH624767A5

CH624767A5 - Arrangement for detecting suspended particles

Info

Publication number: CH624767A5
Application number: CH1563277A
Authority: CH
Inventors: Werner Dr Rech; Walter Glockmann
Original assignee: Heimann Gmbh
Priority date: 1977-07-29
Filing date: 1977-12-20
Publication date: 1981-08-14
Also published as: NL7807117A; DE2734347B2; ATA546878A; IT7825764A0; SE7808218L; IT1097182B; AT375777B; BE869380A; BR7804881A; SE430828B; DE2734347A1

Description

624 767 624 767

2 2nd

PATENTANSPRUCH Anordnung zum Nachweis von Schwebeteilchen mit einer optischen Kammer mit mindestens einer Quelle elektromagnetischer Strahlung und mindestens einem Empfänger für die an den Schwebeteilchen gestreute bzw. reflektierte Strahlung sowie mit einer Ionisationskammer, wobei die elektrischen Ausgänge beider Kammern zu einem logischen Verknüpfungsglied führen, in dem die beiden Signale multiplikativ verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, dass das logische Verknüpfungsglied aus einem elektronisch steuerbaren ohmschen Spannungsteiler (8) besteht, dessen Steuereingang mit dem Ausgang der Ionisationskammer (4), die über eine schwache Strahlungsleistung verfügt, und dessen die zu teilende Spannung führenden Anschlüsse mit dem Ausgang der optischen Kammer (1) verbunden sind. PATENT CLAIM Arrangement for the detection of suspended particles with an optical chamber with at least one source of electromagnetic radiation and at least one receiver for the radiation scattered or reflected on the suspended particles and with an ionization chamber, the electrical outputs of both chambers leading to a logical link in which the Both signals are multiplicatively linked, characterized in that the logic link consists of an electronically controllable ohmic voltage divider (8), the control input with the output of the ionization chamber (4), which has a weak radiation power, and the terminals carrying the voltage to be divided are connected to the output of the optical chamber (1).

U U

A(Hxt) ' A (Hxt) '

(d)2 (d) 2

JT • Q JT • Q

Ext Ext

(2) (2)

Die Wirkungsfaktoren QExt lassen sich nach der Theorie von Mie exakt berechnen, vergi. R.H.Giese: «Streuung elektroma-5 gnetischer Wellen an absorbierenden und dielektrischen kugelförmigen Einzelteilchen und an Gemischen solcher Teilchen» in der «Zeitschrift für Astrophysik» 51 (1961), Seiten 119 bis 147. The effect factors QExt can be calculated exactly according to Mie's theory, forgi. R.H. Giese: "Scattering of electromagnetic 5 magnetic waves on absorbing and dielectric spherical individual particles and on mixtures of such particles" in the "Zeitschrift für Astrophysik" 51 (1961), pages 119 to 147.

Führt man als eine auf die Wellenlänge X der zur Messung herangezogenen elektromagnetischen Strahlung normierte Teil-chengrösse den dimensionslosen Parameter a ein mit If one enters the dimensionless parameter a as a particle size standardized to the wavelength X of the electromagnetic radiation used for the measurement

10 10th

ri • d ri • d

(3) (3)

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Nachweis von Schwebeteilchen mit einer optischen Kammer mit mindestens einer Quelle elektromagnetischer Strahlung und mindestens einem Empfänger für die an den Schwebeteilchen gestreute bzw. reflektierte Strahlung sowie mit einer Ionisationskammer, wobei die elektrischen Ausgänge beider Kammern zu einem logischen Verknüpfungsglied führen, in dem die beiden Signale multiplikativ verknüpft werden. Ein solches Nachweisgerät lässt sich der DE-AS 25 19 267 entnehmen. The invention relates to an arrangement for the detection of suspended particles with an optical chamber with at least one source of electromagnetic radiation and at least one receiver for the radiation scattered or reflected on the suspended particles and with an ionization chamber, the electrical outputs of both chambers leading to a logical link. in which the two signals are linked multiplicatively. Such a detection device can be found in DE-AS 25 19 267.

Kennzeichnende Parameter von Schwebeteilchen in einem Medium sind neben der Form und der chemischen Zusammensetzung die Anzahl n der in einer Volumeneinheit des Mediums enthaltenen Teilchen und deren mittlerer Durchmesser d. Bei einem weit verbreiteten Verfahren zum Nachweis von Schwebeteilchen, insbesondere geringer Konzentration und kleiner Teil-chengrösse werden sog. Ionisationskammern angewendet, bei denen zwischen zwei Elektroden ein Strom von ionisierten Gasmolekülen oder Atomen fliesst und die ein elektrisches Ausgangssignal UA(ion) liefern, das proportional der Anzahl n der Schwebeteilchen und deren mittleren Durchmesser d ist, das heisst so ergibt die Rechnung, dass die Wirkungsfaktoren QExt für ' grössere Alphabereiche weitgehend konstante Werte aufweisen. Allgemein lässt sich zeigen, dass für a =£ 0,67 der Wert von Qexi < 1 ist und für a —dem Grenzwert QI xt = 2 zustrebt. Characteristic parameters of suspended particles in a medium are, in addition to the shape and chemical composition, the number n of the particles contained in a unit volume of the medium and their mean diameter d. In a widespread method for the detection of suspended particles, in particular low concentration and small particle size, so-called ionization chambers are used, in which a current of ionized gas molecules or atoms flows between two electrodes and which provide an electrical output signal UA (ion) that is proportional the number n of the suspended particles and their mean diameter is d, that is to say, the calculation shows that the effect factors QExt for 'larger alpha ranges have largely constant values. In general it can be shown that for a = £ 0.67 the value of Qexi <1 and for a - the limit value QI xt = 2 is aimed.

In erster Näherung lässt sich demnach das Signalverhalten einer optischen Vorrichtung nach Gleichung (2) vereinfacht charakterisieren durch die Beziehung In a first approximation, the signal behavior of an optical device according to equation (2) can therefore be characterized in a simplified manner by the relationship

U U

A(Hxt) A (Hxt)

-n- (d) 2 -n- (d) 2

(4) (4)

40 40

UA(Ion) ~ n - d. UA (ion) ~ n - d.

(1) (1)

Vorrichtungen, die nach diesem Verfahren arbeiten, benötigten eine Ionisationsquelle, die in der praktischen Ausführung in der Regel als radioaktive Strahlenquelle ausgebildet ist. Um die Strahlenbelastung der Bevölkerung so gering wie möglich zu halten, sollte die Strahlenleistung der radioaktiven Quelle möglichst schwach sein. Eine Ionisationskammer mit einem radioaktiven Strahler, dessen Intensität nach derzeitigem Erkennungsstand unbedenklich ist, ist jedoch in der Praxis entweder zu unempfindlich gegenüber geringen Konzentrationen der nachzuweisenden Schwebeteilchen oder bei entsprechender Herabsetzung der Ansprechschwelle nachgeschalteter Auswerteeinrichtungen zu anfällig gegenüber Stör- und Täuschungsgrössen. Devices that work according to this method require an ionization source, which in practice is usually designed as a radioactive radiation source. To keep the radiation exposure of the population as low as possible, the radiation output of the radioactive source should be as weak as possible. In practice, however, an ionization chamber with a radioactive source, the intensity of which is harmless according to the current level of recognition, is either too insensitive to low concentrations of the suspended particles to be detected or, with a corresponding reduction in the response threshold of downstream evaluation devices, is too susceptible to disturbance and deceptive variables.

Andere Verfahren zum Nachweis von Schwebeteilchen arbeiten auf optischem Wege durch die Bestimmung der von den Teilchen über eine bestimmte Messstrecke verursachten Extinktion elektromagnetischer Strahlung, z.B. sichtbares Licht, Infrarot oder Ultraviolett. Dabei kann die Absorption oder die Reflexion bzw. Streuung, oder die Summe aus Absorption und Streuung die Extinktion, gemessen und ausgewertet werden. Vorrichtungen für dieses Verfahren liefern ein Ausgangssignal, das sowohl von den optischen Eigenschaften der Schwebeteilchen abhängt, als auch proportional ist der Teilchenzahl n, dem Quadrat des mittleren geometrischen Durchmessers d der Teilchen und den für die Teilchenart charakteristischen mittleren Wirkungsfaktoren Q Exl: Other methods for the detection of suspended particles work optically by determining the extinction of electromagnetic radiation caused by the particles over a certain measuring distance, e.g. visible light, infrared or ultraviolet. The absorption or reflection or scatter, or the sum of absorption and scatter, the extinction, can be measured and evaluated. Devices for this method provide an output signal which is dependent both on the optical properties of the suspended particles and is proportional to the number of particles n, the square of the mean geometric diameter d of the particles and the mean action factors Q Exl characteristic of the particle type:

Aus den Gleichungen (1) (4) geht hervor, dass Vorrichtungen nach dem Ionisationsverfahren für Schwebeteilchen unterschiedlicher Teilchengrösse ein grundsätzlich anderes Signalver-halten aufweisen als Vorrichtungen nach dem Extinktions- bzw. Streustrahlungsverfahren. Dies ist von grosser Bedeutung für 3o Geräte, die darauf ansprechen sollen, dass das Signal eine für bestimmte Teilchengrösse und/oder Teilchenkonzentration charakteristische Schwelle übersteigt, und die daraus beispielsweise ein Meldesignal erzeugen. Setzt man für eine willkürliche Teilchengrösse mit dem Durchmesser d oder für eine Korngrössen-Verteilung bei Teilchen mit dem mittleren Durchmesser d die Ansprechschwelle eines Gerätes nach dem Extinktionsverfahren gleich der Ansprechschwelle eines Gerätes nach dem Ionisationsverfahren, so wird das Gerät nach dem Extinktionsverfahren durch die Abhängigkeit vom Quadrat des mittleren Teilchendurchmessers d auf kleinere Schwebeteilchen wesentlich unempfindlicher, dafür auf grössere erheblich empfindlicher reagieren. Günstiger ist demnach ein Gerät, das nach dem Ionisationsverfahren arbeitet, wo eine lineare Abhängigkeit vom mittleren Teilchendurchmesser d massgebend ist. Equations (1) (4) show that devices using the ionization process for suspended particles of different particle sizes have a fundamentally different signal behavior than devices using the extinction or scattered radiation process. This is of great importance for 30 devices which are intended to respond to the fact that the signal exceeds a threshold which is characteristic of certain particle size and / or particle concentration, and which, for example, generate a signaling signal therefrom. If the response threshold of a device according to the extinction method is set equal to the response threshold of a device according to the ionization method for an arbitrary particle size with diameter d or for a grain size distribution for particles with average diameter d, the device according to the extinction method becomes dependent on Square of the average particle diameter d is much less sensitive to smaller particles, but reacts to larger particles much more sensitively. A device that works according to the ionization process is therefore less expensive, where a linear dependence on the average particle diameter d is decisive.

45 In der Praxis ist ein Gerät, das nach dem Extinktionsverfahren aus der Anwesenheit von Schwebeteilchen dispersiver Verteilung ein Meldesignal erzeugt, mit dem Nachteil behaftet, dass es auf eine charakteristische Zusammensetzung aus vorwiegend kleinen Schwebeteilchen nur bei sehr hoher Teilchenkonzentra-50 tion oder auch gar nicht anspricht, während es für Zusammensetzungen aus grösseren Schwebeteilchen sehr früh anspricht. Besonders nachteilig wirkt sich dieses Verhalten bei der Anwesenheit von solchen Schwebeteilchen aus, deren Grösse das vom Gerät zu registrierende Spektrum übersteigt und die deswegen 55 als Störteilchen wirken und schon bei geringer Konzentration eine Täuschungsmeldung auslösen können. 45 In practice, a device that uses the extinction method to generate a signal from the presence of suspended particles in a dispersive distribution has the disadvantage that it has a characteristic composition of predominantly small suspended particles only at very high particle concentrations or not at all responds, while it responds very early to compositions made of larger suspended particles. This behavior has a particularly disadvantageous effect in the presence of such floating particles, the size of which exceeds the spectrum to be registered by the device and which therefore 55 act as interfering particles and can trigger a deception message even at low concentration.

Aus diesem Grund ist in der eingangs zitierten Offenlegungsschrift auch schon vorgeschlagen worden, einen Brandmelder mit zwei Fühlern - beispielsweise einer optischen Kam-60 mer und einer Ionisationskammer - auszurüsten und die Ausgangssignale der beiden Sensoren miteinander zu mutliplizieren. Wie diese Multiplikation zu geschehen hat, wird allerdings offengelassen. For this reason, it has already been proposed in the initially cited laid-open publication to equip a fire detector with two sensors - for example an optical chamber and an ionization chamber - and to mutliple the output signals of the two sensors. How this multiplication is to be done is left open.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 65 eine Anordnung gemäss der DE-AS 25 19 267 so auszugestalten, dass sie über einen denkbar einfachen Multiplikator verfügt, der zudem an eine leistungsschwache Ionisationskammer angepasst ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anord- The present invention has for its object to 65 design an arrangement according to DE-AS 25 19 267 so that it has a very simple multiplier, which is also adapted to a low-power ionization chamber. To solve this task, an arrangement

3 3rd

624 767 624 767

nung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass das logische Verknüpfungsglied aus einem elektronisch steuerbaren ohmschen Spannungsteiler besteht, dessen Steuereingang mit dem Ausgang der Ionisationskammer, die über eine schwache Strahlungsleistung verfügt, und dessen die zu teilende Spannung führenden Anschlüsse mit dem Ausgang der optischen Kammer verbunden sind. According to the invention, the logic combination element consists of an electronically controllable ohmic voltage divider, the control input of which is connected to the output of the ionization chamber, which has a weak radiation output, and the connections to be divided are connected to the output of the optical chamber are.

Anhand eines schematisch in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung weiter erläutert werden. Mit 1 ist eine optische Kammer bezeichnet, die ein elektrisches Ausgangssignal aus dem Vorhandensein von Schwebeteilchen in einem Medium liefert. Sie arbeitet dabei nach einem rein optischen Verfahren über die Umsetzung der Streuung elektromagnetischer Strahlung in eine elektrische Grösse. Verwendet wird dabei eine Strahlungsquelle 2 wie beispielsweise eine Glühlampe oder Leuchtdiode im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich oder auch ein anderer thermischer Strahler und ein Strahlungsempfänger 3 wie beispielsweise eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand oder ein thermischer Detektor, mit dem aus der empfangenen optischen Strahlung ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird. Eine solche optische Kammer ist beispielsweise in der DE-AS 1 598 226 beschrieben. Mit 4 ist eine Ionisationskammer bezeichnet, bei der sich ein Medium mit den nachzuweisenden Schwebeteilchen zwischen zwei Plattenelektroden 5,6 befindet. Zwischen den Elektroden 5,6 fliesst ein Strom von ionisierten Molekülen oder Atomen des Mediums und lässt einen äusseren elektrischen Strom fliessen, aus dem ein Ausgangssignal erzeugt wird. Eine Ionisationsquelle 7 mit schwach radioaktiver Strahlung verrusacht die Ionisation. Wenn sich Schwebeteilchen in dem Medium befinden, lagern sich daran ionisierte Moleküle bzw. Atome an, so dass sich durch die Trägheit der Schwebeteilchen der Ionentransport verlangsamt. Dadurch wird der Ionenstrom kleiner. Eine solche Ionisationskammer ist beispielsweise in der DE-AS 1 900 888 beschrieben. The invention is to be further explained on the basis of an exemplary embodiment shown schematically in the drawing. 1 designates an optical chamber which supplies an electrical output signal from the presence of suspended particles in a medium. It works according to a purely optical process by converting the scattering of electromagnetic radiation into an electrical quantity. A radiation source 2 such as an incandescent lamp or light-emitting diode in the visible or infrared spectral range or another thermal radiator and a radiation receiver 3 such as a photodiode or a photo resistor or a thermal detector are used, with which an electrical output signal is generated from the optical radiation received becomes. Such an optical chamber is described for example in DE-AS 1 598 226. 4 designates an ionization chamber in which there is a medium with the floating particles to be detected between two plate electrodes 5, 6. A current of ionized molecules or atoms of the medium flows between the electrodes 5, 6 and causes an external electrical current to flow, from which an output signal is generated. An ionization source 7 with weakly radioactive radiation causes the ionization. If there are suspended particles in the medium, ionized molecules or atoms attach to them, so that the inertia of the suspended particles slows down the ion transport. This reduces the ion current. Such an ionization chamber is described for example in DE-AS 1 900 888.

Die elektrischen Ausgänge der optischen Kammer 1 und der Ionisationskammer 4 führen zu einem elektronischen ohmschen Spannungsteiler 8. Dabei liefert das Ausgangssignal der optischen Kammer 1 die zu teilende Spannung, während das Ausgangssignal der Ionisationskammer 4 das Teilerverhältnis bestimmt. Der Ausgang des Spannungsteilers 8 führt zu einer Aus-werteeinrichtung 9, die beispielsweise aus einem Schwellwertschalter besteht. Dieser gibt seinerseits ein Ausgangssignal zur weiteren Verwertung ab, z.B. zum Melden des Vorhandenseins charakteristischer Schwebeteilchenanzahl und -grosse, wenn sein Eingangssignal eine entsprechend eingestellte Schwelle s überschreitet. The electrical outputs of the optical chamber 1 and the ionization chamber 4 lead to an electronic ohmic voltage divider 8. The output signal of the optical chamber 1 supplies the voltage to be divided, while the output signal of the ionization chamber 4 determines the divider ratio. The output of the voltage divider 8 leads to an evaluation device 9, which consists, for example, of a threshold switch. This in turn emits an output signal for further use, e.g. for reporting the presence of characteristic number and size of suspended particles when its input signal exceeds a correspondingly set threshold s.

Bei der Abwesenheit von Schwebeteilchen befindet sich die Anordnung im Ruhestand, Sowohl die optische Kammer 1 als auch die Ionisationskammer 4 liefern kein Ausgangssignal. Die Anordnung ist unempfindlich; der Spannungsteiler 8 teilt maxi-lo mal, d.h. das Spannungsteilerverhältnis Ausgangsspannung/ Eingangsspannung ist klein. Bei der Anwesenheit von Schwebeteilchen kleiner Grösse vergrössert das Ausgangssignal der dafür empfindlichen Ionisationskammer 4 das Spannungsteilerverhältnis, d.h. erhöht die Empfindlichkeit der optischen Kam-i5 mer 1 bzw. erhöht relativ das zur Auswerteeinrichtung 9 gelangende Ausgangssignal der optischen Kammer 1. Anders ausgedrückt bedeutet dies eine Herabsetzung der Ansprechschwelle der Auswerteeinrichtung 9. Überschreitet dann der an die Auswerteeinrichtung 9 gelangende Teil des Ausgangssignals der op-20 tischen Kammer 1 die Ansprechschwelle, dann gibt die Auswerteeinrichtung 9 ein dementsprechendes Ausgangssignal ab. In the absence of floating particles, the arrangement is in the retired state. Both the optical chamber 1 and the ionization chamber 4 do not provide an output signal. The arrangement is insensitive; the voltage divider 8 divides maxi-lo times, i.e. the voltage divider ratio output voltage / input voltage is small. In the presence of floating particles of small size, the output signal of the ionization chamber 4 sensitive to it increases the voltage divider ratio, i.e. increases the sensitivity of the optical camera-i5 mer 1 or relatively increases the output signal of the optical chamber 1 reaching the evaluation device 9. In other words, this means a lowering of the response threshold of the evaluation device 9. Then the part of the output signal of the op -20 table 1 the response threshold, then the evaluation device 9 emits a corresponding output signal.

Grössere Schwebeteilchen, die nicht in das nachzuweisende Spektrum passen und die zu Fehlsignalen führen müssen, weil sie ein verhältnismässig grosses Ausgangssignal der optischen 25 Kammer 1 auslösen, lassen demnach die Auswerteeinrichtung 9 solange nicht ansprechen, wie ihre Konzentration nicht so gross wird, dass auch die Ionisationskammer 4 ein ausreichendes Ausgangssignal liefert, um die Spannungsteilung zu verringern, d.h. das Teilerverhältnis Ausgangsspannung/Eingangsspannung zu 30 vergrössern. Normalerweise wird bei solchen Störteilchen die Spannung des Ausgangssignals der optischen Kammer 1 stark heruntergeteilt und überschreitet die Ansprechschwelle der Auswerteeinrichtung 9 nicht. Larger floating particles, which do not fit into the spectrum to be detected and which must lead to false signals because they trigger a relatively large output signal from the optical chamber 1, therefore do not allow the evaluation device 9 to respond as long as their concentration is not so great that the Ionization chamber 4 provides a sufficient output signal to reduce the voltage division, ie increase the divider ratio output voltage / input voltage to 30. In the case of such interfering particles, the voltage of the output signal of the optical chamber 1 is normally divided down sharply and does not exceed the response threshold of the evaluation device 9.

35 Andererseits können Störsignale der Ionisationskammer 4, die durch das relativ starke Grundrauschen der in ihrer Strahlungsleistung stark begrenzten radioaktiven Strahlungsquelle 7 bedingt sind, auch nicht direkt zu einem Ansprechen der Auswerteeinrichtung 9 führen, da sie nur vorübergehend die Emp-40 findlichkeit der optischen Kammer 1 erhöhen, d.h. das Spannungsteilerverhältnis vergrössern, die optische Kammer 1 aber kein Ausgangssignal liefert. 35 On the other hand, interference signals from the ionization chamber 4, which are caused by the relatively strong background noise of the radioactive radiation source 7, which is very limited in its radiation power, cannot directly trigger the evaluation device 9, since they only temporarily affect the sensitivity of the optical chamber 1 increase, ie increase the voltage divider ratio, but the optical chamber 1 delivers no output signal.

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings