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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Belastung einer
Atmosphäre
mit Aerosolen oder Stäuben
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung, insbesondere
zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Beim
Betrieb von Maschinen und Anlagen treten häufig Aerosole oder Stäube auf,
die einerseits den Betrieb der Maschinen und Anlagen stören oder schädigen und
andererseits gesundheitsschädlich sein
können.
Hohe Staubkonzentrationen entstehen beispielsweise in der Mühlenindustrie,
in Zerkleinerungsanlagen, in Siebanlagen oder auch bei der Produktion
bestimmter Güter.
Aerosole sind dagegen in Flüssigkeitströpfchen aufgenommene
Feststoffe oder auch die Flüssigkeitstropfen
selbst. Sie treten beispielsweise als Nebel auf und schweben ähnlich den
Stäuben
in die Atmosphäre.
Soweit die in den Aerosolen und Stäuben vorhandenen Stoffe gesundheitsgefährdend sind,
können
sie beim Einatmen krankheitsbildend sein. Ab einer bestimmten Konzentration
von Aerosolen und Stäuben
in einer Atmosphäre
ist es auch möglich,
dass diese zündfähig werden
und bei einer Explosion verheerende Schäden anrichten können. Bei Ölnebeln
liegt die Explosionsgrenze z.B. bei etwa 5×109 Tröpfchen/l.
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In
Kraft-, Arbeits- und Werkzeugmaschinen ist es daher zwingend, das
Auftreten von Ölnebel festzustellen.
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Die
Industrie ist daher grundsätzlich
bestrebt, das Auftreten von Stäuben
und Aerosolen weitest gehend zu verhindern oder soweit zu reduzieren, dass
keine Gefährdungen
der Gesundheit oder Anlagen und Maschinen auftreten können.
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Zur
Erfassung der Belastung einer Atmosphäre mit Aerosolen oder Stäuben ist
es bekannt, über
eine bestimmte Messstrecke die optische Durchlässigkeit der Atmosphäre zu erfassen.
Dazu wird in der belasteten Atmosphäre von einem ersten Ende der
Messstrecke ein Lichtstrahl an das zweite Ende der Messstrecke gesandt,
und es wird dann die mittels einer photoelektrischen Einrichtung
erfasste Signalstärke
am Ende der Messstrecke in Bezug zur Signalstärke am Ende der Messstrecke
bei unbelasteter Atmosphäre
gesetzt. Bei langen Messstrecken, insbesondere in der freien Atmosphäre, wird
häufig ein
Laserstrahl als Lichtstrahl verwendet.
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Eine
solche Einrichtung ist dann problematisch, wenn das erste und/oder
das zweite Ende der Messstrecke im Bereich der belasteten Atmosphäre liegen,
denn das Eintritts- und Austrittsende der Messstrecke kann durch
die belastete Atmosphäre selbst
leicht verschmutzt werden. Dies führt zu fehlerhaften Messergebnissen.
Zur Vermeidung von Verschmutzungen der Messeinrichtung ist es daher üblich, die
Messeinrichtung regelmäßig zu reinigen oder
auf komplizierte Weise zu versuchen, eine Verschmutzung zu vermeiden,
beispielsweise durch einen Luftschleier, der die Messeinrichtung
von der belasteten Atmosphäre
fernhält,
durch selbstreinigende Lichteintrittsfenster, wie z. B. schnelldrehende
durchlässige
Scheiben, und ähnliches.
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Zur
Konzentrationsbestimmung der Stäube und
Aerosole in der Atmosphäre
unter Verwendung einer lichtelektrischen Messeinrichtung ist es
bekannt, die Reflektion, und die Extinktion des Licht- oder Laserstrahls
durch die Stäube
oder Aerosole auszuwerten.
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Die
Erfassung von Größenklassen
der Aerosole oder Stäube
kann beispielsweise mittels eines Spektrometers, durch Verwendung
einer Diffusionsbatterie mit verschiedenen Filterstufen, durch elektrostatische
Analysatoren oder auch aerodynamische Partikelgrößenbestimmer erfolgen. Bei
dem vorgenannten Verfahren handelt es sich aber um sehr komplexe
Verfahren, die in einfachen industriellen Anlagen oder Maschinen
zu aufwendig sind.
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Eine
Verunreinigung von Linsen und Gläsern kann
auch durch rechnerische Vergleichsmessungen kompensiert werden.
Da es in der Praxis häufig
zu Fehlalarmen aufgrund von Verschmutzungen der Messeinrichtung
kommt, wird in vielen Fällen
die Empfindlichkeit der Messeinrichtung sehr stark reduziert, um
die Zahl der Fehlalarme zu verringern. Bei den auf Extinktion beruhenden
Messeinrichtungen ist eine Erfassung der Größenklassen der Aerosole und Stäube nicht
möglich.
Dadurch kann keine Klassifizierung nach Gefährlichkeit der Atmosphärenbelastung
oder der Ursache und Wirkung der Gefährdung erfolgen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Messung der Belastung der Atmosphäre mit Aerosolen oder Stäuben anzugeben,
durch dass bzw. mit der eine quantitative Erfassung der Stäube oder
Aerosole möglich ist,
ohne dass Verschmutzungen der Messeinrichtung zu Fehlmessungen führen.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 4 angegebene Erfindung
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und
3 bzw. 5 bis 11 angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Messung der Belastung einer Atmosphäre mit Aerosolen oder Stäuben verwendet
eine Laserstrahlmesseinrichtung, bei der ein Laserstrahl durch die
belastete Atmosphäre
geschickt wird. Erfindungsgemäß verwendet
die Messeinrichtung zwei Photosensoren, wobei ein erster Photosensor
die Abdeckung des Laserstrahls durch die Aerosole oder Stäube erfasst, während ein
zweiter außerhalb
der Strahlrichtung des Laserstrahls angeordneter Photosensor die durch
die Aerosole oder Stäube
bewirkte Beugung des Laserstrahls erfasst, und aus dem Verhältnis zwischen
den Signalen der Sensoren ein Belastungsmaß gebildet wird, das der Belastung
der Atmosphäre
mit Aerosolen oder Stäuben
entspricht.
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Bei
einer solchen Messeinrichtung wird zwar durch Absorption des durch
die Messkammer geführten
Laserstrahls ebenfalls die Stärke
des auf den Photosensor unmittelbar auftreffenden Laserlichts verringert,
und zwar um so stärker,
je mehr Aerosole und Stäube
sich in der Messkammer im Laserstrahl befinden, jedoch wird das
Laserlicht ebenfalls an den Aerosolen und Stäuben gebeugt, und zwar um so stärker, je
mehr Aerosole und Stäube
sich in der Messkammer im Laserstrahl befinden. Das Verhältnis zwischen
Absorption des Laserlichts und Beugung des Laserlichts ändert sich
daher in Abhängigkeit
vom Grad der Belastung der Atmosphäre. Dagegen bleibt das Verhältnis zwischen
Absorption und Beugung unabhängig
vom Verschmutzungsgrad der Ein- und Austrittsflächen der Messkammer im Wesentlichen
konstant. Bei höherer
Verschmutzung der Ein- und Austrittsflächen wird lediglich die Intensität beider
Signale vermindert. Die erhaltenen Messergebnisse sind daher unabhängig von
der Verschmutzung der Ein- und Austrittsflächen der Messkammer.
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Die
geometrischen Verhältnisse
der Messkammer werden vorzugsweise so ausgestaltet, dass die radiale
Größe des ersten
Photosensors so gewählt
wird, dass die Querschnittsfläche
des Laserstrahls im wesentlichen vollständig erfasst wird und dass
der zweite Photosensor, der den ersten Sensor ringförmig umgibt,
in einem solchen radialen Abstand vom Mittelpunkt des ersten Photosensors
angeordnet ist, dass von dem zweiten Photosensor die Beugung des
Laserlichts an Aerosolen oder Stäuben
einer bestimmten Größenklasse
erfasst wird.
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Die
in der Messkammer vorhandenen Aerosole oder Stäube bewirken, je nach ihrer
Größe, eine bestimmte
Winkelbeugung. Diese Beugung führt
zu einer ringförmigen
Ausbildung einer Auftrefffläche des
Laserstrahls auf den Photosensor, deren Radius von der Größenklasse
der Aerosole oder Stäube
abhängt.
Der zweite Photosensor wird daher insbesondere in einem Abstand
vom Zentrum des Laserstrahls angeordnet, der für die Erfassung einer gewünschten
Größenklasse
der Aerosole oder Stäube angepasst
ist. Insbesondere ist der zweite Photosensor in einem solchen Abstand
vom Laserstrahlzentrum angeordnet, dass Aerosole oder Stäube mit
einer Größe von ca.
2 bis 6 μ,
vorzugsweise etwa 4 μ, erfasst
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Einrichtung
verwendet insbesondere zwei Photosensoren, von denen ein erster
Photosensor in Strahlrichtung des Laserstrahls außerhalb
der Messkammer angeordnet ist und ein zweiter, ebenfalls außerhalb
der Messkammer angeordneter Photosensor zur Erfassung der durch
die Aerosole oder Stäube
bewirkten Beugung des Laserstrahls ausgebildet ist. Die Photosensoren sind
insbesondere Photodioden, die konzentrisch zueinander angeordnet
sind.
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Die
Messkammer weist Ein- und Austrittsflächen für den Laserstrahl auf, und
ist beispielsweise als rohrförmige
Kammer ausgebildet, bei der der Laserstrahl das Messrohr in Querrichtung
durchstrahlt.
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Vorzugsweise
ist die Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls eine Laserdiode,
deren Frontfläche
die Eintrittsfläche
des Laserstrahls in die Messkammer bildet. Die verwendeten Photodioden sind
ebenfalls vorzugsweise unmittelbar an der Messkammerwand angeordnet,
wobei die Photodioden durch eine Abdeckung in einem geeigneten Abstand
vom Inneren der Messkammer angeordnet sind.
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In
weiteren Ausführungsformen
kann vorgesehen sein, dass die photoelektrische Messeinrichtung
ein oder mehrere weitere äußere Ringdioden zur
Erfassung zusätzlicher
Größenklassen
von Aerosolen oder Stäuben
enthält.
Je nach Anwendungsfall kann es in manchen Fällen erwünscht sein, eine Feststellung über die
Häufigkeit
von Aerosolen oder Stäuben
in bestimmten Größenklassen
zu treffen. Dies ist durch konzentrische Anordnung mehrerer Ringdioden
möglich.
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Zur
Auswertung der Signale der Photodioden ist vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung
vorgesehen, die die Verhältnisse
der Signale der Photodioden zueinander errechnet und daraus ein
Ergebnissignal zur Anzeige der Belastung der Atmosphäre mit Aerosolen
oder Stäuben
einer bestimmten Größenklasse
ableitet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Prinzipansicht einer Messeinrichtung nach der Erfindung.
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2 eine
grafische Darstellung zur Erläuterung
des Messprinzips.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die erfindungsgemäße Messeinrichtung in einem
Groß-Dieselmotor
verwendet, bei der festzustellen ist, ob sich in der im Inneren
der Maschine befindlichen Atmosphäre eine erhöhte Ölnebel-Konzentration ausbildet. Der Ölnebel entsteht
bei sich anbahnenden Reibschäden
z.B. in Lagern. Wenn eine zu hohe Ölnebel-Konzentration festgestellt
wird, und dieser Anstieg rechtzeitig detektiert werden kann, können solche
Maschinen in vielen Fällen
repariert oder gewartet werden, bevor ein nicht reparabler Maschinenschaden auftritt.
Bei Fortschreiten des Schadenbildes und weiterer Ölnebelentwicklung
wird eine Ölnebelkonzentration
erreicht, bei welcher es zur Entzündung und Explosion kommen
kann. Dies führt meist
zum Totalschaden des Dieselmotors.
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1 zeigt
eine perspektivische und vereinfachte Messeinrichtung, die einen
Laserstrahlsender 1, beispielsweise eine Laserdiode enthält, die
einen Laserstrahl 2 aussendet. Dieser durchläuft die
Messkammer 3 in Richtung auf den Laserstrahlempfänger 5,
der aus einer inneren kreisförmigen
Diode 6 und einer die innere Diode umschließenden Ringdiode 7 gebildet
ist. Die Messkammer 3 enthält eine seitliche Eintrittsöffnung 8 sowie
eine seitliche Austrittsöffnung 4,
die für
den Laserstrahl durchlässig
sind. Die Messkammer wird quer zum Laserstrahl von einer belasteten
Atmosphäre
durchströmt,
die in 1 durch einen eintretenden Ölnebel 9 und einen
austretenden Ölnebel 10 angedeutet
ist.
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Die
Messkammer kann zwar prinzipiell die dargestellte Form aufweisen,
jedoch ist bevorzugt, dass die Messkammer ein einfaches durchsichtiges Messrohr
aus Glas bildet, durch das die belastete Atmosphäre oder ein Teil der Atmosphäre hindurchgeführt wird.
Der Durchmesser der Messkammer beträgt nur wenige Millimeter bis
Zentimeter. Bei geringen Verschmutzungen der Atmosphäre kann
der Querschnitt der Messkammer auch zur Erhöhung der Empfindlichkeit vergrößert werden.
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Sofern
die Messkammer nicht vollständig aus
Glas besteht, können
die Ein- und Austrittsöffnungen 4 und 8 als
Glasfenster gebildet sein. Der Laserstrahlsender ist vorzugsweise
unmittelbar an die Eintrittsöffnung 8 der
Messkammer 3 angekoppelt, beispielsweise indem eine Laserdiode
an der Außenseite
der Messkammer angebracht ist.
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Der
Laserstrahlempfänger 5 kann
ebenfalls an der Außenseite
der Messkammer 3 angebracht werden, wobei der Abstand des
Laserstrahlempfängers
von der Messkammer einerseits durch die Größe der Messkammer, andererseits
durch die Größe der Dioden 6 und 7 sowie
der zu erfassenden Partikelklassifikation abhängt. Vorzugsweise wird der
Laserstrahlempfänger
in einem bestimmten Abstand unmittelbar an die Austrittsöffnung 4 der
Messkammer 3 angekoppelt.
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2 zeigt
das Messprinzip der Erfindung. Ein Laserstrahl 2, dessen
Durchmesser in etwa dem Durchmesser der inneren Diode 6 des
Laserstrahlempfängers 5 entspricht,
trifft zum Teil auf die Oberfläche
eines Partikels 13 in einer die Messkammer 3 durchströmenden Atmosphäre. Der
unmittelbar auf das Partikel 13 treffende Laserstrahlteil
wird an der Oberfläche
des Partikels 13 absorbiert oder reflektiert und gebrochen,
so dass das auf die Fotodiode 6 auftreffende Signal aufgrund
des Vorhandenseins des Partikels 13 verkleinert wird. Die
geringe Größe der zu
erfassenden Aerosole oder Stäube
in der Messkammer führt
jedoch ferner zur Beugung des auf die Partikel auftreffenden Laserstrahls,
so dass sich ein Beugungsstrahl 11 ergibt, der in einem
radialen Winkel außerhalb
der zentralen Laserdiode 6 auf die Ringdiode 7 auftrifft.
Die Größe der Teilchen und
die Wellenlänge
des Laserlichts bestimmen dabei den Winkel der Ablenkung. Die Größenverhältnisse
von innerer Diode 6 und Ringdiode 7 sind insbesondere
so gewählt,
dass die durch Beugung hervorgerufene Strahlung von Partikelgrößen von
etwa 4 μ auf
die Ringdiode 7 trifft. Bei einer mit Ölnebel belasteten Atmosphäre ergibt
sich dadurch ein durch Absorption geschwächter Laserstrahl auf der inneren Diode 6 sowie
ein durch Beugung hervorgerufener ringförmiger Strahl 11 auf
der Ringdiode 7.
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Das
auf die innere Diode 6 auftreffende Laserlicht verringert
sich durch Absorption umso stärker,
je mehr Aerosole und Stäube
sich in der Messkammer im Laserlicht befinden. Umgekehrt wird der Ringstrahl 11,
der durch Beugung an den Aerosolen und Stäuben hervorgerufen wird, umso
stärker,
je mehr Aerosole und Stäube
sich in der Messkammer im Laserstrahl befinden.
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Die
Laserdioden 6 und 7 sind an eine geeignete Auswerteschaltung
angeschlossen, die die Signale der Laserdioden 6 und 7 in
ein Verhältnis
zueinander setzt. Der Quotient aus IR/I0 ist bei belasteter Atmosphäre größer 0, wobei
IR dem Signal der Ringdiode 7 und
I0 dem Signal der inneren Diode 6 entspricht.
Bei unbelasteter Atmosphäre
ist der Quotient daher gleich 0, während er in Abhängigkeit
von der Belastung der Atmosphäre
einen Wert größer 0 annimmt.
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Bei
einer möglichen
Verschmutzung der Ein- und Austrittsöffnungen der Messkammer wird
zwar das auf die Dioden auftreffende Laserlicht insgesamt abgeschwächt, jedoch
bleibt das Verhältnis
der Signale der inneren und äußeren Diode
zueinander bei verschmutzten Ein- und Austrittsflächen nahezu
konstant, wenn die Teilchendichte konstant ist. Daher haben Verschmutzungen
der Ein- und Austrittsflächen der
Messkammer keinen Einfluss auf das Messergebnis, solange noch ein
auswertbarer Signalpegel an den Dioden 6 und 7 auftritt.
Besondere Verfahren zu Reinigung und Reinhaltung der optischen Oberflächen der
Messkammer sind nicht erforderlich. Die Reinigung kann entweder
vollständig
entfallen oder der Zeitabstand zwischen zwei Reinigungen kann sehr
groß gewählt werden.
Ferner weist die Erfindung den Vorteil auf, dass die Empfindlichkeit
der Messeinrichtung sehr hoch eingestellt werden kann.
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Die
Leistung der Laserdiode beträgt
nur wenige mW, der äußere Durchmesser
der inneren Diode liegt bei 2-3 mm und der mittlere Durchmesser
der Ringdiode beträgt
etwa 12 mm. Als Messstrecke ist eine Länge von etwa 1-2 cm ausreichend.
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Zur
Anpassung an die jeweilige Messaufgabe können die geometrischen Verhältnisse
der Messeinrichtung in verschiedener Weise variiert werden. So können die
Durchmesser der inneren Diode und/oder der Ringdiode verändert werden
oder es kann der Abstand des Laserstrahlempfängers von der Messkammer variiert
werden. Ferner lassen sich die Breite der Messkammer, der Abstand
der Ein- und Austrittsöffnungen
zur Messkammer, die Leistung der Laserdiode usw. variieren.
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Die
Erfindung ermöglicht
es einerseits, die Messaufgabe unabhängig von Verschmutzungen der Ein-
und Austrittsflächen
der Messkammer zu erfüllen
und andererseits eine Größenklassifikation
der erfassten Aerosole und Stäube
vorzunehmen. Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf Maschinen beschränkt. Es
ist auch eine Überwachung
von Maschinenhallen, landwirtschaftlichen Betrieben, Bauindustrie
etc. möglich.
Ferner kann die Erfindung bei Anpassung der geometrischen Ausgestaltung
zur Feststellung von Nebel oder Dunst in der freien Atmosphäre verwendet
werden.
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- 1
- Laserstrahl-Sender
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Messkammer
- 4
- Austrittsöffnung
- 5
- Laserstrahlempfänger
- 6
- innere
Fotodiode
- 7
- äußere Fotodiode
- 8
- Eintrittsöffnung
- 9
- eintretender Ölnebel
- 10
- austretender Ölnebel
- 11
- Beugestrahl
- 12
- zentrale
Auftrittsfläche
- 13
- Partikel