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Anordnung, zur Messung der Gesamtzahl und der nach Größenbereichen
aufgeschlüsselten Anzahl von Teilchen in einem Gasstrom Die vorliegende Erfindung
betriff-t eine Anordnung, zur Messung der Gesamtzahl und der nach Größenbereichen
aufgeschlüsselten Anzahl von Teilchen in einem Gasstrom. Eine solche Anordnung soll
im folgenden kurz als »Teilchenzähler« bezeichnet werden.
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Teilchenzähler werden beispielsweise zur überwachung des Schwebstoffgehaltes
der Atmosphäre und zu manchen wissenschaftlichen Untersuchungen benötigt. Ein häufiges
Anwendungsgebiet ist insbesondere die überwachung der Außenluft auf ihren Rauch-
oder Nebelgehalt und der Luft in Arbeitsräumen, z. B. bei der Transistorfertigung,
auf Verunreinigungen. Die Meßergebnisse werden meist für eine spätere Auswertung
aufgezeichnet, und es ist erwünscht, sowohl Angaben über den Gesamtgehalt an Vertinreinigungen
als auch eine zahlenmäßige Aufschlüsselung der erfaßten Schwebstoffteilchen nach
Größenbereichen zur Verfügung zu haben.
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Es ist bereits ein Gerät zum Zählen von Staubteilchen bekannt, das
eine optisch-elektrische Anordnung enthält, die für jedes Teilchen einen dessen
Größe proportionalen elektrischen Impuls liefert. Die optisch-elektrische Anordnung
des bekannten Teilchenzählgerätes enthält eine Elektronenstrahlröhre für Lichtpunktabtastung,
wie sie in der Fernsehtechnik zur Abtastung von Filmen üblich ist. Das Meßobjekt
besteht aus einer durchsichtigen Platte, auf der die zu erfassenden Teilchen niedergeschlagen
worden sind. Die erfaßten Teilchen werden nach Größenbereichen aufgeschlüsselt.
Bei dem bekannten Gerät werden größere Teilchen mehrmals durch den Elektronenstrahl
abgetastet, und es sind daher Maßnahmen getroffen, zu verhindern, daß ein solches
mehrmals abgetastetes Teilchen fälschlicherweise auch mehrfach gezählt wird. Die
hierzu verwendete Schaltungsanordnung ist ziemlich aufwendig und enthält Größenzähler
mit kapazitiven Integratoren sowie einen Impulsanalysator, der die von den Größenzählern
gelieferten Signale auswertet.
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Das bekannte Teilchenzählgerät ist sehr aufwendig und hat außerdem
den Nachteil, daß es keine integrale Anzeige aller erfaßter Teilchen liefert.
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Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine besonders einfache
Anordnung zum Messen der Ge-
samtzahl und der nach Größenbereichen aufgeschlüsselten
Anzahl von Teilchen in einem Gasstrom angegeben werden, die diese Nachteile vermeidet.
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Eine Anordnung zur Messung der Gesamtzahl und der nach Größenbereichen
aufgese.hlüsselten Anzahl, von Teilchen in einem Gasstrom mit einer optischelektrischen
Anordnung, die für jedes Teilchen einen seiner Größe proportionalen elektrischen
Impuls liefert, einen Impulsdiskrin-ünator und einer Integrierstufe ist gemä3 der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein durch einen Zeitgeberschalter periodisch
betätigter Umschalter abwechselnd den Ausgang der die Gesamtzahl der Teilchen während
der Meßperiode erfassenden Integrierstufe und den Ausgang eines Zählers, dessen
Eingang mit dem nur Impulse eines bestimmten Größenbereiches durchlassenden Diskriminator
verbunden. ist, an ein Registriergerät anschließt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Anordnung eine
Vorrichtung zur periodischen Änderung der oberen und unteren Amplituden-grenze,
des Diskriminators. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung
enthält der Diskriminator eine Maximumstufe mit einem Multivibrator und eine Minimumstufe
mit einer Auslöseschaltung, und die Eingangsklemmen der Maximumstufe und der Minimumstufe
sind miteinander verbunden. Die Auslöseschaltung ist vorzugsweise ein Schmitt-Trigger.
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Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfidung; dabei
bedeutet F i g. 1 ein Blockschalt-bild eines Teilchenzählers, F i
g. 2 ein Diagramm des zeitlichen Ablaufes verschiedener Vorgänge im
Teilchenzähler nach F i g. 1,
F i g. 3 ein Schaltbild einer Diskriminatorschal-.
tung,
F i g. 4 ein Schaltbild einer Integrationsschaltung
und F i g. 5 eine schematische Darstellung des pneumatischen Teiles der Einrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält einen optischen
Teil 15, durch den die zu untersuchende Luft aus einem Luftvorrat16 strömt.
An den optischen Teil 15 ist ein Photoelektronenvervielfacher 18 angeschlossen,
der für jedes wahrgenommene Teilchen einen Ausgangsimpuls liefert, dessen Amplitude
der Teilchengröße proportional ist. Solche Anordnungen sind bekannt und sollen daher
nicht näher beschrieben werden.
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Die Ausgangsünpulse des Vervielfachers 18 gelangen über einen
Verstärker 25 zu einer Integrationsschaltung 30.
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Die Integrationsschaltung 30 besitzt zwei Ausgänge. Am ersten
Ausgang 35 erscheint ein Impulssignal in der Form von spitzen Impulsen unterschiedlicher
Amplitude, das einem Verstärker 32 zugeführt wird. Am zweiten Ausgang
31 erscheint ein integrierte-s Signal in Form einer Gleichspannung, die proportional
der gesamten Teilchenzahl ist. Der Ausgang 31 kann direkt einem Schreiber
39 zur Aufzeichnung der Gesamtzahl der vom Vervielfacher 18
wahrgenommenen
Partikeln zugeführt werden.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 wird einer Diskriminatorschaltung
40 zugeführt, die eine Schwellwertstufe 41 mit einem oberen Grenzwert (Maxünumstufe)
und eine SchweRwertstufe 42 mit einem unteren Grenzwert (Minimumstufe) umfaßt. Der
Diskrimmator 40 läßt nur diejenigen Impülse zu einem Verstärker 45 durch, deren
Amplitude zwischen dem unteren und dem oberen Grenzwert liegt. An den Verstärker
45 ist ein Zähler 48 angeschlossen. Am Ende eines bestimmten Zeitintervalls wird
das Ausgangssignal des Zählers dem Schreiber 39
zugeführt, der dann die Anzahl
der vom Zähler 48 gezählten Impulse registriert.
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Der Schreiber 39 kann durch einen Wahlschalter 49 wahlweise
an den Ausgang 31 des Integrators 30
oder an den Ausgang des Zählers
48 angeschlossen werden.
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Ein Stufenschalter 50 steuert die Vorspannung der Schwellwertstufen
41 bzw. 42 und ändert schrittweise den Größenbereich der vom Zähler 48 gezählten
Teilchen.
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Der Stufenschalter 50, der Schreiber 39 und der Wahlschalter
49 werden von einem Zeitgeberschalter 60 so gesteuert, daß der Schreiber
in periodischen Abständen die Gesamtzahl der vom Zähler 48 gezählten Impulse registriert
und der Stufenschalter in periodischen Abständen auf verschiedene Größenbereiche
für die Teilchen in progressiver Reihenfolge geschaltet wird.
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Der Zeitgeber 60 steuert außerdem die Luftzufuhr, wie noch
beschrieben werden wird.
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F i g. 4 zeigt die Integrationsschaltung 30, die einen
Kathodenverstärker enthält. Die Eingangssignale stammen vom Verstärker
25 und werden dem Gitter 61 der Doppeltriode 62 zugeführt.
Zwischen Gitter 61 -und Masse sind ein Vorspannungswiderstand 64 und ein
Kondensator 65 geschaltet.
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Die Anoden 68 und 69 sind an getrennte Anodenwiderstände
70, 71 und ein Potentiometer 73 angeschlossen, dessen Schleifer 74
mit der Anodenspannung B + verbunden ist. An die Anode 68 ist ferner
eine Ausgangsleitung 35 angeschlossen; vom Anodenwi derstand 70 führt
ein Kondensator 75 nach Masse.
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Die Kathoden 78 und 79 der Doppeltriode 62 sind
an ein Potentiometer 80 angeschlossen, dessen Schleifer 81 mit einer
zweiten Ausgangsleitung 31 verbunden ist. Die Kathoden 78, 79 sind
außerdem über Kondensatoren 83 bzw. 84 mit Masse verbunden und erhalten ihre
Betriebsspannung über Widerstände 85
und 86. Die Schaltung ist symmetrisch.
Die Widerstände 85 und 86 bilden mit den Kondensatoren 83
und
84 ein RC-Zeitkonstantenglied, dessen Funktion noch erläutert werden wird.
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Impulse, die vom Verstärker 25 an das Gitter 61
geliefert
werden, führen zu proportionalen Potentialänderungen an der Kathode. An der Leitung
35 erscheint ein Ausgangsimpuls der über den Kopplungskondensator
88 der Diskriminatorschaltung 40 zugeführt wird. Die Amplitude des Impulses
89 ist proportional der Amplitude des Eingangsimpulses. Andererseits werden
die Impulse durch die RC-Zeitkonstante der Kondensatoren 83, 84 und der Widerstände
85, 86 integriert, wobei eine entsprechende Spannung am Gitter
61 auftritt, so daß auf der Leitung 31 eine fluktuierende Gleichspannung
entsteht, die eine Funktion der Gesamtzahl der der Integrationssehaltung
30 zugeführten Impulse ist. Diese Spannung Bann direkt dem Schreiber
39 zugeführt werden.
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Die Ausgangsimpulse auf der Leitung 35 werden der in F i
g. 3 dargestellten Diskriminatorschaltung über einen Kondensator
95 zugeführt. Die Schwellwertstufen 41 und 42 erhalten die Eingangssignale
durch Kondensatoren 96 bzw. 97 und Dioden 98
bzw.
99. Die Maxinmmstufe 41 enthält eine Verstärkerstufe 100, die Minimumstufe
42 eine Verstärkerstufe 101.
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Die Verstärker 100 bzw. 101 enthalten Kathodenwiderstände
103 bzw. 103'. Die Ausgangssignale des Verstärkers 100 werden
über eine Trenn öhre 110
einem monostabilen Multivibrator 112 zugeführt.
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Der monostabile Multivibrator 112 liefert an seinem Ausgang für jeden
Eingangsimpuls einen Rechteckünpuls einer bestimmten Dauer. Die Impulsdauer kann
durch den Kondensator 118, der die Anode 115 mit dem Gitter
116 koppelt, beeinflußt werden. Die Ausgang ,simpulse des monostabilen Multivibrators
112 werden über einen Widerstand 121 dem Gitter 119 einer Mischröhre 120
zugeführt. Die am Gitter 119 angeschlossene Schaltung ist so bemessen, daß
das Gitter normalerweise etwas unterhalb des Sperrpegels vorgespannt ist und beträchtlich
unterhalb des Speirpegels vorgespannt wird, wenn der Multivibrator 112 ausgelöst
wird.
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Der Verstärker 101 der Minimumstufe 42 ist mit einer Schmitt-Trigger-Schaltung
125 verbunden. Die Schaltung 125 liefert einen spitzen negativen Impuls,
auf den ein spitzer positiver Impuls folgt, wenn sie ausgelöst wird. Sie enthält
eine Doppeltriode 128,
deren Kathoden 124 mit einem Vorspannungswiderstand
131 und deren zweites Gitter 135 über einen Kondensator
136 und einen Widerstand 137 mit der Anode 141 des ersten Systems
verbunden sind. Die Ausgangssignale der Schaltung werden von der Anode 142 des zweiten
Systems abgenommen und über einen Kondensator 145 dem Gitter 119 der Misch-
oder Addierröhre 120 zugeführt. Wenn kein Impuls vom Multivibrator 112 anliegt,
kann der positive Impuls des Schmitt-Triggers 125 die Röhre
120
für die Dauer des Impulses in den leitenden Bereich aussteuern. Wenn sich jedoch
der monostabile Multivibrator 112 im Arbeitszustand befindet, während die Schaltung
125 einen Ausgangsimpuls liefert, ist das Gitter 119 so weit negativ
vorgespannt, daß der positive Impuls von der Schaltung 125 die Röhre 120
nicht in den leitenden Bereich aussteuern kann.
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Die Vorspannungen für die Schwellwertstufen 41 bzw. 42 werden durch
ein Widerstandsnetzwerk geliefert, das durch einen Stufenschalter 150 gesteuert
wird und eine Anzahl von Widerständen 151 enthält, die an entsprechende Klemmen
152 des Stufenschalters angeschlossen sind. Die Diskriminatorschaltung 40 läßt nur
Impulse durch, die zwischen zwei bestimmten Amplitudenwerten liegen. Impulse unterhalb
des ersten Wertes können keine der beiden Schwellwertstufen 41 bzw. 42 auslösen.
Impulse mit einer den zweiten Wert übersteigenden Amplitude lassen beide Schwellwertstufen
ansprechen und heben sich am Gitter der Röhre 120 auf. Signale mit einer zwischen
den beiden Grenzwerten liegenden Amplitude können den Schmitt-Trigger
125 auslösen, und der von diesem abgegebene positive Impuls steuert das Gitter
119 so weit aus, daß die Röhre 120 leitet. Die Diskriminatorschaltung 40
als Ganzes spricht also nur auf Impulse an, die in einem bestimmten Amplitudenbereich
liegen.
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Wie bereits erwähnt worden war, liefert der Vervielfacher
18 Impulse, deren Amplitude der Teilchengröße proportional ist. Durch eine
entsprechende Einstellung der Schwellwertstufen 41 und 42 kann dadurch erreicht
werden, daß alle Teilchen in einem bestimmten Größenbereich gezählt werden. Die
Ausryangsimpulse der Röhre 120 werden über den Verstärker 45 dem Zähler 48 zugeführt,
der dadurch die Anzahl der Teilchen in dem eingestellten Größenbereich registriert.
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Der vom Zähler 48 erreichte Wert wird vom Schreiber 39 festgehalten,
so daß man die genaue Anzahl der innerhalb einer bestimmten Zeitspanne gezählten
Teilchen eines bestimmten Größenbereiches zur Verfügung hat.
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F i g. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf der einzelnen Vorgänge,
die durch den Stufenschalter 50 und den Zeitgeber 60 gesteuert werden.
Die Treppenkurven 160 und 161 zeigen das Ansteigen der Vorspannungen
der Diskriminatorstufen 41 bzw. 42 in bestimmten Zeitabständen. Die Kurve
162 zeigt das Aus-bzw. Einschalten des Schreibers; wenn die Kurve oberhalb
der Grundlinie verläuft, ist der Schreiber eingeschaltet. Das Einschalten, Ausschalten
und Rückstellen des Zählers 48 zeigt die Kurve 163. Der Zähler ist im Betrieb,
wenn die Kurve -oberhalb der Grundlinie verläuft, und wird rückgestellt, wenn die
Kurve wieder zur Grundlinie zurückkehrt.
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Die Kurve 164 zeigt die Stellung des Wahlschalters 49 für den Eingang
des Schreibers; wenn die Kurve oberhalb der Grundlinie verläuft, ist der Schreiber
mit dem Zähler 48 verbunden, verläuft die Kurve unterhalb der Grundlinie, so ist
die Leitung 31 vom Integrator 30 an den Schreiber 39 angeschlossen.
Die Kurve 165 zeigt die Ausgangsimpulse, die den Stufenschalter weiterschalten,
und die Kurve 168
zeigt schließlich die Steuerung der Luftzufuhr in der einen
bzw. anderen Richtung, je nachdem, ob die Kurve oberhalb oder unterhalb der
Grundlinie verläuft. Die Luftzufuhr wird noch näher beschrieben werden. Während
einer normalen Teilchenzählung liefert der Zeitgeber 60 zuerst einen Ausgangsünpuls
169,
der bewirkt, daß der Stufenschalter die zugehörigen ersten Widerstände
151 anschließt. Die Widerstandswerte der Widerstände 151 sind so abgestuft,
daß der Diskriminator auf Teilchengrößen in eichbaren Bereichen anspricht.
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Während der Stufenschalter betätigt wird, sind Schreiber39 und Zähler48
ausgeschaltet. Dadurch wird verhindert, daß Impulse, die beün Schalten auftreten,
gezählt werden. Der Zeitgeber setzt dann bei 1.70 den Zähler in Betrieb,
der dann Teilchen in dem eingestellten Größenbereich zu zählen beginnt. Die Schaltung
verbleibt in diesem Betriebszustand * für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise
1 NEnute, dann wird der Schreiber39 eingeschaltet, wie die Kurve
162 bei 161 zeigt, und registriert die Gesamtzahl der vom Zähler 48
gezählten Impulse. Kurz darauf schaltet der Zeitgeber 60 den Zähler 48 ab
und stellt ihn bei 172 zurück. Während der Schreiber 39
und der Zähler
48 ausgeschaltet sind, wird der Stufenschalter 50 durch den nächsten Impuls
173 in die nächste Stellung geschaltet, und der beschriebene Funktionsablauf
wiederholt sich.
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Während einer bestimmten Zeitdauer kann eine gewünschte Anzahl von
Bereichen erfaßt werden. Der Schreiber 39 registriert nur die Gesamtzahl,
die der Zähler erreicht in der Zeitspanne, während der der Schreiber und der Zähler
eingeschaltet sind, so daß auf dem Registrierstreifen nur die Gesamtzahl der Impulse
für einen bestimmten Größenbereich der Teilchen während einer bestimmten Zeitspanne
erscheint.
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Am Ende der individuellen Teilchenzählung wird der Schaltarm des Stufenschalters
150 bei 175 bzw. 176 in eine Stellung gebracht, die die Diskriminatorschaltung
sperrt und bewirkt, daß die Luftzufuhr bei 178 umgekehrt wird und der Eingang
des Schreibers 39 auf die Leitung 31 der Integratorschaltung
30 bei 180 umgeschaltet wird. Nach dieser Umschaltung wird der Schreiber
bei 181 eingeschaltet und verbleibt in diesem Zustand.
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Während der folgenden Zeitspanne wird dem Schreiber eine sich ändernde
Gleichspannung zugeführt, die dem Gesamtwert der Teilchen entspricht, die der Vervielfacher
gesehen hat. Dieser Betriebszustand bleibt bis zur Stabilisierung bestehen, um eine
genaue Kontrollzählung zu erhalten.
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Beim nächsten Schritt verbleibt die Steuerung im beschriebenen Zustand,
mit der Ausnahme, daß die Luftzufuhr bei 185 in die Vorwärtsrichtung umgesteuert
wird, so daß eine Gesamtzählung der Umgebungsluft an Stelle der Vergleichsluft erfolgen
kann.
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F i g. 5 zeigt nähere Einzelheiten des optischen Systems
15 und der Luftzufuhr 16. Die optische Anordnung enthält eine Lichtquelle
200, die mittels einer Linse 201 auf einen Luftspalt 203 abgebildet wird.
Die im Luftspalt 203 reflektierte Strahlung wird über eine zweite Linsenahordnung
204 auf einen Photoelektronenvervielfacher 18 abgebildet. Der Luftspalt
203 ist in ein Rohr 205 eingeschnitten, und die Luft wird. normalerweise
von der Atmosphäre direkt durch das Rohr gesogen.
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Das Rohr ist mit einem Verzweigungsstück 206
verbunden, dessen
einer Schenkel zu einer Pumpe 208 führt. Die Pumpe 208 saugt Luft
durch das Rohr 205 und ein Filter 207, die angesaugte Luft wird über
ein Rohr 209 wieder zur Atmosphäre ausgestoßen.
Die Pumpe
208 läuft mit konstanter Drehzahl, die Luftströmung im Rohr 205 kann
durch ein Ventil 212 zwischen dem Filter 207 und der Pumpe 208
und
zusätzlich durch ein zur Atmosphäre führendes Einlaßventil 215 gesteuert
werden. Die Menge der durch die zwei Ventilöffnungen 215 einströmende Luft
erlaubt eine genaue Steuerung der durch das Rohr 205 und die Öffnung
203 strömenden Luftmenge. Um die Strömung durch das Rohr 205 umzukehren,
wird ein Ventil 210 umgestellt, so daß die in das Rohr 209 ausgestoßene Luft
einer Leitung 220 zugeführt wird, die über ein Filter 221 mit dem Verzweigungsstück
206 verbunden ist. Die Luft strömt dann von der Atmosphäre durch das Einlaßventil
215 in die Pumpe und wird durch das Rohl 205 ausgestoßen.
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Durch das Filter 221 sollte die Luft möglichst vollständig von Schwebstoffen
oder Aerosolen befreit werden. Die am Luftspalt 203 vorbeistreichende Luft
ist,dann genügend rein, um als Bezugsiatmosphäre verwendet werden zu können, wenn
die Einrichtung mit umgekehrter-Strömungsrichtung .betrieben wird, Man erhält dadurch
einen Normalwert, auf den die anderen mit der Einrichtung ge-
messenen Werte
bezogen werden können. Bei der Luftströmung in der entgegengesetzten Richtung werden
auch Teilchen herausgeblasen, die sich gegebenenfalls innerhulb des Rohres angesammel
hatten und zu Fehlern Anlaß geben können. Wenn die Pumpe in umgekehrter Richtung
fördert, reoistriert:der Zähler 39 also einen Meßwert, der reiner Luft entspricht,
und die, sich ergebende gesamte Impulszahl stellt Beinen Bezugswert dar, der direkt
,als Eichwert für saubere Luft dienen kann.
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Wird die Strömung zum Zeitpunkt 185 in F i g. 2 wieder auf
die Vorwärtsrichtung -umgeschaltet, so hefert der vom Schreiber aufgezeichnete Gesamtwert
nun ein Maß für die Verschmutzung der Luft im Gegensatz zu dem beim vorhergegangenen
Meßvorgang erhaltenen Meßwert für reine Luft, Godaß man einen Bezugs- und Vergleichswert
hat, womit die Relativwerte des Verschmutzungsgrades der Atmosphäre umgerechnet
werden können.
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Die Einrichtung liefert also drei verschiedene Arten von Meßwerten,
nämlich einen Meßwert für reine Luft als Bezugswert, einen Meßwert für die Gesamtverschmutzung
der Luft und die Anzahl der Teilchen innerhalb eines bestimmten Größenbereiches
und innerhalb einer bestimmten Zeitspanne. An die Stelle von Luft kann natürlich
auch ein anderes Suspensionsmedium treten.