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Verfahren und Anordnung zur Untersuchung eines Aerosols Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Untersuchung eines Aerosols,
in welchem feste Staubpartikeln oder Flüssigkeitströpfchen u. dgl. suspendiert sind.
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Derartige Untersuchungen geschahen bisher hauptsächlich in der Weise,
daß man die im Gas enthaltenen Teilchen auf einer Fläche niederschlug, wobei unter
Umständen eine Windsichtung voraufgegangen war. Nach diesem Prinzip arbeiten der
Thermalprecipitator und der Elektroprecipitator. Die Nachteile dieser Einrichtung
sind bekannt: Die eigentliche Untersuchung muß unter dem Mikroskop vorgenommen werden,
wobei man beispielsweise durch Ausmessen die Teilchengröße und durch Auszählen die
Teilchendichte festzustellen versucht. Dies ist aber sehr langwierig und in vielen
Fällen unbefriedigend, da Veränderungen in der Korngröße, welche beim Niederschlagen
erfolgen, beispielsweise durch Aggregation oder Koagulation das Meßergebnis verfälschen.
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Insbesondere läßt sich dieses Verfahren nicht für die Untersuchung
von Flüssigkeitsnebeln verwenden, da sich diese beim Niederschlag sofort zu einer
Flüssigkeitshaut verbinden. Außerdem wird die normale Gasströmung durch solche Untersuchungen
gestört.
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Weitere Fehler sind bei der Windsichtung dadurch bedingt, daß die
Teilchen vor Erreichen der Niederschlagswand eine stark verzögerte Strömung durchqueren.
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Alle diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß
einem gereinigten, dem die Teilchen enthaltenden Gas gleichartigen Hilfsgas eine
bestimmte Strömungsgeschwindigkeit verliehen wird, daß das die Teilchen enthaltende
Gas als feiner Strahl mit gleicher Strömungsgeschwindigkeit in den homogenen Teil
der Hilfsgasströmung eingeleitet wird, daß weiterhin der Hilfsgasstrom einschließlich
des Gasstrahls mindestens einem senkrecht zu seiner Strömungsrichtung wirkenden
und die im Gasstrahl enthaltenen Teilchen aus ihrer Bewegungsrichtung ablenkenden
Kraftfeld ausgesetzt wird und daß außerdem mit Ililfe eines Lichtstrahls - worunter
man genau genommen ein gelenktes Lichtbündel verstehen muß - die Intensität des
Streulichts festgestellt wird, das von den in den Hilfsgasstrom abgelenkten Teilchen
eines engbegrenzten räumlichen Bereiches ausgeht. Die Intensität des Streulichts
hängt bekanntlich von der an einer bestimmten Stelle angetroffenen Teilchenzahl
und Teilchengröße ab. Nach Rayleigh ist die Streulichtintensität eine Funktion des
B.ilchendurcl1messers, im wesentlichen dem 106flachen des Teilchendurchmessers proportional.
Man kann also ohne weiteres aus der Streulichtintensität auf die Teilchenzahl bzw.
Teilchendichte schließen, wenn dafür Sorge getragen ist, daß Teilchen gleichen Durchmessers
jeweils an der gleichen, bekannten Stelle zu finden sind. Da der Gasstrom durch
dieses Verfahren überhaupt nicht behindert wird, können fortlaufende Untersuchungen
durchgeführt werden, welche den wahren Zustand des zu untersuchenden Mediums in
jedem Augenblick anzeigen. Dies gilt auch für Flüssigkeitströpfchen, welche mit
den bisherigen Methoden einer Untersuchung nicht zugänglich waren.
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Die Methode ermöglicht zudem eine Untersuchung der Teilchendichte
in der homogenen Strömung, d. h. in einem Raumgebiet, in dem die Strömung noch nicht
wesentlich von den Begrenzungswänden des Kanals beeinflußt ist. Aus diesem Grunde
kann bei homogenem Staubmaterial aus der an einer bestimmten Stelle gefundenen Teilchendichte
auf deren Korngröße geschlossen werden.
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Will man das Spektrum der elektrischen Ladungen der Teilchen aufnehmen,
so kann als Kraftfeld ein homogenes elektrisches Feld dienen. Will man dagegen das
Spektrum der Teilchengröße aufnehmen, so kann man als Kraftfeld ein Schwerefeld
oder ein Zentrifugalfeld verwenden. Insbesondere können auch zwei etwa senkrecht
aufeinanderstehende Kraftfelder auf die Teilchen einwirken, von denen das eine die
Teilchen nach Maßgabe ihrer Größe und Maße aus ihrer Bewegungsrichtung und das andere
die Teilchen nach Maßgabe ihrer elektrischen Ladung ablenkt.
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Die Anwendung eines Zentrifugalfeldes empfiehlt sich, wenn das Aerosol
bis zur Korngröße von 0,1 herab analysiert werden soll. Das Zentrifugalfeld
wird
durch Rotation eines Kreisringkanals erzeugt, in welchem sich das Hilfsgas befindet.
Das die Teilchen enthaltende Gas wird hierbei über eine mit dem Kreisringkanal rotierende
Austrittsöffnung zugeleitet.
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Gegenüber der Austrittsöffnung wird die Strömung geschwindigkeit des
Hilfsgases durch gleichmäßige Beschleunigung der Drehgeschwindigkeit des Kreisringkanals
erhalten.
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Wenn auf den zu untersuchenden Gas stahl zwei Kraftfelder einwirken,
dann muß der das Streulicht verursachende primäre Lichtstrahl bei der Untersuchung
einen flächenartigen Bereich bestreichen.
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Vorzugsweise tastet der Lichtstrahl dann den von den abgelenkten Teilchen
durchsetzten Hilfsgasstrom zeilenweise ab und erfährt dabei eine Intensitätsmodulation,
deren Frequenz groß ist gegenüber der Zeilenfrequenz. Dieses Vorgehen empfiehlt
sich, wenn man die Streulichtintensität mit Hilfe einer Photozelle oder eines Elektronenvervielfacherrohres
in Strom umwandelt und den elektrischen Strom anschließend verstärkt. Bei dieser
Verstärkung fällt eine beliebige Fremdlichtkomponente heraus, wenn man darüber hinaus
noch die Intensität des abtastenden Lichtstrahls mit einer Frequenz (Trägerfrequenz)
moduliert, die genügend groß ist gegenüber den durch die Streuung bedingten Frequenzen
der Intensitätsmodulation.
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Man kann die Intensität des Streulichts oszillographieren und das
Oszillogramm in der Zeilenfrequenz auch mit Hilfe eines Kathodenstrahloszillographen
sichtbar machen, wobei sich das Oszillogramm entweder durch Intensitätssteuerung
oder durch Steuerung der Strahlablenkung ergibt. Insbesondere kann man bei Trägerfrequenzmodulation
während der Abtastung einer jeden Zeile den Verstärkungsgrad des Streulichtempfängers
automatisch derart variieren, daß die Amplitude oder Helligkeit des Oszillogramms
proportional der jeweils angetroffenen Teilchenkonzentration ist. In diesem Falle
muß dann der Verstärkungsgrad gemäß der Rayleighschen Streulichtfunktion geändert
werden.
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Die Anordnung zur Ausführung des Untersuchungsverfahrens ist gekennzeichnet
durch eine Austrittsöffnung für das die Teilchen enthaltende Gas, welche in eine
das Hilfsgas führende Strömungsbahn mündet, weiterhin durch einen Raum innerhalb
der Strömungsbahn, welcher mindestens einem senkrecht dazu wirkenden Kraftfeld ausgesetzt
ist, ferner durch eine Lichtquelle mit einer Einrichtung, welche einen Lichtstrahl
ausblendet und mit diesem eine in der Strömungsrichtung liegende Fläche abtastet,
und außerdem durch einen Empfänger, welcher die Intensität des vom Lichtstrahl in
dem abzutastenden Bereich der Strömungsbahn hervorgerufenen Streulichts mißt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Hierin zeigt Fig. 1 eine Untersuchungsanordnung,
hei welcher die zu untersuchenden Teilchen einem elektrostatischen Feld und einem
Schwerefeld ausgesetzt sind, Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung
im Vertikalschnitt, bei welchem die zu untersuchenden Teilchen einem elektrostatischen
Feld und einem Zentrifugalfeld ausgesetzt sind, Fig. 3 einen horizontalen Schnitt
durch das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und Fig. 4 einen Kontakt, wie er im Ausführungsbeispiel
der Fig. 2 für die Stromzuführung zum Ionenanemometer benutzt werden kann.
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In Fig. 1 verwendet man einen schwach gekrümmten Windsichtungskanal
1 mit rechteckigem Querschnitt, welcher oben und unten von den Wänden 2 und 3 sowie
links und rechts von den beiden durchsichtigen Seitenwänden 4 und 5 begrenzt ist.
Die beiden Seitenwände 4, 5 sind zur Errichtung eines horizontal verlaufenden, homogenen
elektrischen Feldes mit durchsichtigen Elektroden belegt, welche durch eine Batterie
6 auf unterschiedlichem Potential gehalten sind. Ein Hilfsgas wird durch einen Eintrittskanal
7 mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit in den Windsichtungskanal 1 eingeführt.
Das zu untersuchende Aerosol gelangt durch ein Zuführungsrohr 8 an die düsenförmige
Austrittsöffnung 9, aus welcher es mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit wie
das Hilfsgas austritt. Zwischen Aerosolstrahl und Hilfsgasstrom entstehen daher
keine Turbulenzen.
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Die suspendierten Teilchen werden auf Grund ihrer unterschiedlichen
Größen durch die Schwerkraft und weil sie in Richtung auf das Schwerekraftfeld einen
unterschiedlichen Strömungswiderstand im Gas finden, in Form eines Spektrums 10
auf verschiedenen Parabelbahnen geführt. In der Zeichnung sind diese Parabelbahnen
nur für den Fall eingezeichnet, daß keine Spannung an den beiden Seitenelektroden
4 und 5 liegt. Wenn aber ein elektrostatisches Feld errichtet ist, werden die wegen
ihrer verschiedenen Größen auf verschiedenen Parabelbahnen geführten Teilchen auch
noch nach links oder rechts nach Maßgabe ihrer elektrischen Ladung seitlich auseinandergeführt.
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Auf einer in der Krümmungsachse des Windsichtungskanals 1 angeordneten
Welle 11 sitzen zwei Drehspiegel 12 und 13, welche bei Verdrehung der Welle 11 mit
verschwenkt werden. Eine Lichtquelle 14 richtet durch eine Blende 15 einen Lichtstrahl
16 auf den ersten Drehspiegel 12, welcher diesen Lichtstrahl durch die durchsichtige
Seitenwand 5 auf eine Stelle 17 lenkt. Je nach der Zahl und der Größe der dort angetroffenen
Teilchen ergibt sich ein Streulicht bestimmter Intensität, von dem ein Strahl 18
durch die durchsichtige Seitenwand 4 über den zweiten Drehspiegel 13 auf ein Elektronenvervielfacherrohr
oder eine Photozelle 19 geleitet wird.
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Wenn die Welle 11 verdreht wird, wandert der Punkt 17 auf einem Kreisbogen
im Innern des Kanals 1 entlang. Wenn außerdem die Welle 11 in ihrer Achsrichtung
verschoben wird, kann man den Punktl7 einen flächenartigen Bereich bestreichen lassen,
wobei die jeweils angetroffene Streulichtintensität ein Maß für die angetroffenen
Teilchen gleichen Verhältnisses von Masse zu Größe sowie gleicher elektrischer Ladung
ist.
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Selbstverständlich könnte der Windsichtungskanal 1 auch in einer
horizontalen Ebene gebogen sein, wobei dann die Welle 11 in der Krümmungsachse senkrecht
stehen würde und diesmal die Elektroden auf den gekrümmten Seitenflächen des Kanals
angeordnet sein müßten.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 ist das Hilfsgas in einem
drehbaren Kreisringkanal 20 enthalten, welcher durch eine obere Kreisscheibe 21
und eine untere Kreisscheibe 22 sowie außen durch einen durchsichtigen, beispielsweise
aus Glas bestehenden Zylindermantel 23 und innen durch einen weiteren Zylindermantel
24 begrenzt ist. Die Kreisscheiben 21 und 22 sind mittels der Spannringe 25 auf
einer Hohlwelle 26 gehalten. Diese ist in Kugellagern 27 und 28 gelagert, welche
ihrerseits in den Gehäuseteilen 29 und 30 angeordnet sind. Die Hohl welle 26
und
mit ihr der Kreisringkanal 20 wird mit Hilfe eines Motors 31, vorzugsweise eines
Drehfeldmotors, in Rotation versetzt. Von der Hohlwelle 26 zweigt eine zweiarmige
Hohlspeiche 32 ab, deren Eintritt und Austritt durch eine Scheibe 33 voneinander
getrennt sind. Die Hohlspeiche besitzt eine Austrittsöffnung 34 in den Kreisringkanal
20. Die Hohlwelle 26 mündet an ihrem oberen Ende in einen Hohlraum 35, an welchen
die Zuführungsleitung 36 für das die Teilchen enthaltende Gas angeschlossen ist.
An ihrem unteren Ende mündet die Hohlwelle in einen Raum 37, an welchen die Abführungsleitung
38 für das die Teil chen enthaltende Gas angeschlossen ist. Im Betrieb wird das
zu untersuchende Aerosol durch die Leitung 36 dem oberen Teil der Hohlwelle zugeführt,
strömt durch die Speiche 32, weiter durch den unteren Teil der Hohlwelle und wird
schließlich durch die Leitung 38 abgeführt. Hierbei tritt durch die Öffnung 34 eine
kleine Menge des Aerosols aus. Die Teilchen bewegen sich dann infolge ihrer unterschiedlichen
Größe auf verschiedenen, durch die Zentrifugalkraft bestimmten Bahnen, bilden also
ein Spektrum 39.
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Um auch die elektrischen Teilchenladungen feststellen zu können,
sind der obere und untere Rand des Kreisringkanals 20 mit Elektroden 40 und 41 belegt,
welche ihre Ladung über Hilfselektrodenringe 42, 43 erhalten, die ihrerseits über
feststehende Elektroden 44 und 45 mit einer Spannungsquelle 46 verbunden sind. Die
Elektroden 44 und 45 liegen hierbei nicht auf den Hilfselektroden 42 bzw. 43 auf;
vielmehr wird eine leitende Verbindung dadurch hergestellt, daß ein radioaktives
Präparat den Luftraum zwischen den genannten feststehenden und beweglichen Elektroden
ionisiert. Vorzugsweise ist der äußere Zylindermantel 23 wenigstens auf seiner Innenseite
elektrisch schwach leitend, damit keine Verzerrung des homogenen elektrischen Feldes
erfolgt.
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Wie es später noch näher erläutert wird, ist es notwendig, möglichst
genau die Schlupfgeschwindigkeit des Hilfsgases in bezug auf den Kreisringkanal
zu bestimmen. Dies kann mit Hilfe eines dünnen Heißleiters geschehen, wobei dessen
Abkühlung ein Maß für die Schlupfgeschwindigkeit ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wird dagegen ein Ionenanemometer verwendet, welches aus einer Empfängerelektrode
47 und einer Senderelektrode 48 mit einem radioaktiven Präparat an der Spitze besteht.
Die mit Hilfe dieses Präparats erzeugten Ionen erreichen um so weniger die Empfängerelektrode
47, je größer die Schlupfgeschwindigkeit des Hilfsgases in bezug auf diese Elektrode
ist. Die Stromzuführung und -abführung erfolgen z. B. über zwei zentral in die Hohlwelle
isoliert eingesetzte und mit dieser drehbare Leiter 49, welche über feststehende
Kontakte 50 mit Hilfe in einer Körnerpfanne 51 befindlicher Quecksilbertröpfchen
52 (Fig. 4) an Zwischenstufen 53 der Batterie 46 angeschlossen sind. Ein in diese
Leitung eingeschaltetes Amperemeter 54 läßt sich zum Ablesen der Schlupfgeschwindigkeit
verwenden.
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Eine Lichtquelle 55 ist feststehend neben dem Kreisringkanal angeordnet.
Mittels der Blende 56 und der Linse 57 wird ein Lichtstrahl bzw. Lichtbündel etwa
als senkrecht zur Zylinderachse stehende Sekante in Rotationsrichtung durch den
durchsichtigen äußeren Zylindermantel 23 geschickt. Er erzeugt in einem Punkt 58
ein bestimmtes Streulicht. Von diesem Streulicht wird mittels der Linse 59 und der
Blende 60 ein solches Bündel ausgehlesidet, welches den Zylindermantel 23 etwa senkrecht
durchsetzt und so auf kürzestem Wege zu dem Streulichtempfänger 61,
einer Photozelle
od. dgl., gelangt. Je dichter man die Linse 59 an den Kreisringkanal 20 heranrücken
kann, um so größer ist der Winkelbereich des aufgefangenen Streulichts und um so
größer die aufgenommene Streulichtmenge.
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Die Führung des primären Lichtstrahls als Sekante bringt den Vorteil
mit sich, daß die Stellen, an denen der Lichtstrahl die Glaswand 23 durchsetzt und
dabei dort ein verhältnismäßig starkes Streulicht erzeugt, möglichst weit von der
Eintrittsöffnung und aus dem Eintrittskegel des Streulichtempfängers entfernt sind.
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Da der primäre Lichtstrahl längs seiner ganzen Bahn Streulicht erzeugt,
nimmt seine Intensität beim Durchtreten durch das Teilchenspektrum etwas ah. Diese
von verschiedenen Faktoren abhängige Intensitätsveränderung ist aber so geringfügig,
daß sie selbst bei sehr genauen Messungen außer Betracht bleiben kann.
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Da der Kreisringkanal 20 rotiert, erhält man in zeitlich etwa gleichen
Abständen iein durch die Streulichtintensität angegebenes Abbild des Teilchenspektrums
39. Durch gemeinsames Bewegen des Lichtstrahlgebers und des mechanisch damit verbundenen
Streulichtempfängers in axialer Richtung kann man auch das Spektrum für Teilchen
mit bestimmten elektrischen Ladungen feststellen.
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Vorzugsweise besitzt die Austrittsöffnung 34 der Hohlspeiche eine
z. B. durch ein Magnetfeld betätigte Sperrvorrichtung, welche erst beim Erreichen
der Betriebsbedingungen die Austrittsöffnung freigibt. Zu den Betriebsbedingungen
zählt zunächst eine bestimmte Rotationsgeschwindigkeit, weil von ihr die auf die
einzelnen Teilchen ausgeübten Zentrifugalkräfte abhängen. Um dem Hilfsgas die gleiche
Strömungsgeschwindigkeit wie dem aus der Düse 34 austretenden Gas zu geben, muß
das Hilfsgas gegenüber dem Kreisringkanal 20 eine bestimmte Differenzgeschwindigkeit
aufweisen. Es genügt bei diesen Untersuchungen eine Strömungsgeschwindigkeit von
etwa 10 cm pro Sekunde, also eine sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit. Diese Gescshwindigkeitsdifferenz
läßt sich am besten durch geringfügige, konstante Beschleunigung der Rotationsbewegung
erzielen. Diese Beschleunigung kann so klein sein, daß man auch bei über mehrere
Minuten andauernden Versuchen mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit rechnen
darf. Erst Wenn die zur Messung notwendigen Betriebsbedingungen erreicht sind, kann
die Sperrvorrichtung, also beispielsweise ein magnetisch gesteuerter Schieber, freigegeben
werden. Da das die Teilchen enthaltende Gas bereits vor Öffnung der Düse 34 durch
die Hohlspeiche strömt und auch nach Öffnung der Düse zum großen Teil die Untersuchungsapparatur
unverändert verläßt, kann man jeden Versuch sehr genau vorbereiten, ohne beim Einsetzen
der eigentlichen Messungen eine Änderung des Aerosolzustandes erwarten zu müssen.