DE1814202A1

DE1814202A1 - Geraet zum Nachweis von in einem Medium schwebenden Teilchen

Info

Publication number: DE1814202A1
Application number: DE19681814202
Authority: DE
Inventors: Enemark Robert Bruun; Steele Donald Francis
Original assignee: Electro Signal Lab Inc
Current assignee: Electro Signal Lab Inc
Priority date: 1967-07-11
Filing date: 1968-12-12
Publication date: 1970-08-27
Also published as: DE1814202C3; DE1814202B2; GB1229004A; US3497303A

Description

Gorät zum Nachv;ei^ von in einem Müuium

Teilchen

In einer bekannten Bauart von liachweiigeräten ii.ii· üauch ouöi' ähnliche in einem Me α ium schwebende Tt-ilchtn v/ira Licht entlang eines 'iege.: in einen αΐι^ιοΐιλο^ε,^η^α, uunLien TiauiTi güütrahit. iiline Fotozelle überwacht einen zweiten iw"eg, der u en er üben kreuzt unu spricht nur uann an, .,ann Kauchceilchen in aieoem Kreuzung j bar eich varlianaen üina uria Licht a treuen. iJin Teil uieües Lichts v;iru entlang ae-; zweiten weged zur !''otozolli= gestreut. An solche iiachv;eisgeräce für Hauch müssen „;ich .viaerüprechenae Anforderungen gestellt "werden. Die Luft Zuführung en zu dem dunklen Kaum miiü-jüri genügend ^eIt sein, um_ eine nachweisbare Konzentration an Hauch uurchzulas:jen. Andererseits soll Licht von aUiJen oder Licht, welches von dtn uen dunklen Raum begrtinaenden Flächen reflektiert wird₃ nicht ins Gewicht fallen im Vergleich zu ueni Anteil des Lichts, welcher durch uie vorhandenen Konzentrationen an Hauchteilchen zum Fotodetektor hin gestreut wird.

Es ist ein Ziel eier lilrl'inuung_s eine ortsfeste Lichtquelle und '.sine Fotozelle .00 anzuordnen, daß unerwünschte Ue-

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SAD ORiGfNAt

ilexionen aus dem dunklen Kaum zur fotozelle auf ein Minimuni reduziert werden, das Volumen der Luf t zuführung en unter gleichzeitiger weitgehendster Reduzierung des äußeren Lichtzutritts zu vergrößern um so uas Verhältnis von rauchgestreutem zu unerwünschtem Licht zu erhöhen, und schließlich zu verhindern, aaß Hauch und andere in der Luft schwebende Teilchen das Reflexionsvermögen uer· inneren Oberflächen des dunklen Raumes erhöhen,

Das erfindungsgemäße Nachweisgerät für in einem Medium schwebende Teilchen enthält eine Vorrichtung, mittels.derer Licht zur Streuung an den Teilchen entlang eines ersten Weges in dem dunklen Raum ausgestrahlt, wird, eine Vorrichtung, welche gestreutes Licht entlang eines zweiten Weges in dem dunklen Raum_} der den ersten Weg kreuzt, nachweist, und ist uadurch gekennzeichnet, daß die betreffenden Wege zumindest tailweise von wänden begrenzt werüen₃ bzw. räumlich völlig voneinander getrennt sind, so daß uas im ersten Weg auf eine Wand fallende Licht von der zweiten Wand abgehalten wird.

Weiter ist der dunkle Raum gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung aus einem lichtundurchlässigen Material umschlossen. Ein »wesentlicher Bestandteil dieser Vorrichtung enthält einen Korper aus porösem Material, der für das Medium und die Teilchen durchlässig ist.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen beispielshalber erläutert. Darin zeigens

Figur 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Nachweisgerät für Rauch, teilweise im Schnitt5

Figur 2 einen Seitenriß des Nachweisgeräts für Rauchj Figur 3 eine stark vergrößerte Ansicht des porösen i-iateriala,

welches einen Teil des Naciiweisgeräts für Rauch . bildet, und

Figur 4 eine schematisehe Ansicht, ähnlich Figur 1, eines modifizierten Nachweisgeräts für Rauch.

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Wie aus Figur 1 und 2 hervorgeht₃ enthält ein Nachweisgerät für Rauch einen dreieckigen Block 1 aus lichtundurchlässigem massivem Material mit einer Überfläche 2. Diese Überfläche 2 bildet eine Wand der dunklen Kammer J₃ .welche von einem halbkreisförmigen Gehäuse H umpeben ist. in diesem Gehäuse int eine kreisförmige Wand b₃ eine obere ebene Wand 7 und eine untere ebene wand Ö enthalten. Der dreieckige Block 1 besitzt einen ersten kugelförmigen Sitz 9₃ in uem eine kugelförmige Linse 11 durch einen Hing 12 gehalten wiru. Eine am Block 1 befestigte Lampenhalterung Xj hält eine .Lampe IH in Richtung der Achse Vj des kugelförmigen -Sitüaü 9 unu der Linse 11. Ein zweiter kugelförmiger Sitz enthält eine ähnliche kugelförmige Linse 17 auf einer Achse 2ü. Hinter der Linse 17 ist eine Fotozelle lö in dem kugelförmigen 3itz l6 mittels einer lichturiciurchläs: igen, isolierenden, am Block 1 befestigten Pxatte 19 gesichert.

Von. uen kugelförmigen Sitzen 9 und l6 erstrecken sich röhrenförmige Lichtdurchführungen 21 unu 22 durch uen Block 1 zur Oberfläche 2. Diese Lichtdurchführungen 21 und 22 sind durch innere Wände aes 3iocks 1 festgelegt und ihre Achsen sind zueinander unter einem winkel geneigt. Licht aus der Lampe- 14 wird durch die Linse 11 gebündelt und entlang einec ersten Weges 2j längs der Achse Ip durch die Durchführung ti in die uunkle kammer j gestrahlt· Die fotozelle Ig blclvi entlang einea zweiten weges 24 in flichtung uer Achse 2ü uurch die iiinse 17 _s aiu Lichtdurchführung 22, und einen äereich 26, in dec: sich die Lichtwege 2^ und 2h kreuzen. Die Lampe 14 ist Vorzugs».-3iοt so dicht wie mürxieh an der Linse L· angecrunet, wodurch sich drei Vorteile ergeben. Eraienf «'erden die Abmessungen ues ilachweisgerateu verkleinert, Seitens ver^röjiert jich der iiaumwinkel dt-r Strahlung von uer Lampe zur Lin-uencffnung ₃ wodurch eine gröJitmö£J-iche Ausnutzung u^d Lichts gegeben ist. Und drittens wird durch die 3«=nutzung einer Linüe mit kleiner Brennweite ein SiIa hoh^r Intensität ae.-· ulüharahtes an einer Stelle 2')

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im Kreuzungsbereich 26 abgebildet. Dadurch wird erreicht, daß die höchste Lichtintensität an der Stelle geliefert wird, wo das Licht zur Fotozelle 1Ö gestreut wird, und daß das Licht im Lichtweg 23 auf der Fläche 6a der Wand 6 am schwächsten ist, von wo es uiierwlinschterweise zur Fotozelle reflektiert werden könnte.

In der Luft schwebende Rauchteilchen haben zur dunklen Kammer 3 durch die Wände 6₃ 7 und 8 des Gehäuses k Zutritt j diese Wände bestehen aus porösem Material, wie im folgenden noch genauer erklärt wird. Rauchteilchen, welche in den Kreuzungsbereich 26 gelangen, werden durch die Lampe Ik angestrahlt und streuen das Licht, wobei ein gewisser Anteil entlang aes Weges 2k zur Fotozelle 18 gestreut wird, welche die Anwesenheit von Rauchteilchen dadurch registriert.

Der überwiegende Teil des Gehäuses k_a das die Kammer 3 umgibt, in der der Rauch nachgewiesen v/erden soll, besteht aus einem porösem Material P, welches für in der Luft schwebende Teilchen durchlässig, aber wesentlich nicht durchlässig für Lieht von außen ist. Wie man sieht, enthalten die Gehäusewände 7 und ö gegenüberliegende flache Stirnflächen aus- solchem Material P in Plattenform und die verbindende, im allgemeinen halbkreisförmige Wand 6 besteht aus dem gleichen Material P. Die drei Stücke sind zusammengeklebt und berühren sich über den Eckbereichen des Blocks 1, an dem sie in irgendeiner passenden Weise, wie z.B. durch Anklammern, befestigt sind.

Das poröse Material P enthält vorzugsweise ein skelettartiges, dreidimensionales Netzwerk aus lichtabhaltendem Material, welches durch das Zusammenwirken in einer Wand bestimmter Dicke äußeres Licht wirksam von der Kammer fernhält, aber untereinander verbundene Poren schafft, welche in der Luft schwebende Rauchteilchen durch das Plattenmaterial durchlassen. Solches Material ist kommerziell in verschiedenen Wandstärken und Porenaichten als "Scott Industrial Foam" und "Scott, Filter Foam" erhältlich. Ks ist

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dies ein esterartiger Polyurethanschaum, welcher von der Üeott Paper Company in Chester, Pennsylvania, hergestellt wird. Die Durchlässigkeit dieses Materials für Luftstrom« hängt von der Anzahl der Poren lfings eines cm ab. Die Durchlässigkeit für Luftstrome ist umgekehrt proportional der Dicke des Materials, während uie jj'Hhigkeit zur Lichtabweisung direkt mit der Dicke des Materials bis zu eiern Punkt variiert, wo im wesentlichen vollige Dunkelheit erreicht ist.

Wie aus der ochematisehen stark vergrößerten Ansicht der .Figur ο hervorgeht, ist aas skelettartige Netzwerk ues Materials porös, dreidimensional, und hat Poren, dia statistisch verteilt sind, aber untereinander in Verbindung stehen, so daß sie den Luftdurchtritt durch das Material gewährleisten. In aer äußerst dünnen in Figur j dargestellten Schicht erscheint das Material lichtdurchlässig. Mit zunehmender Dicke jedoch nimmt die lichtabweisende, durch das Zuiamms-nwirken vieler statistisch verteilter faaenartiger Bereiche bedingte Wirkung zu, so daß bei genügender Dicke vollige Dunkelheit erzielt wird. Es ist natürlich unmöglich, in dieser Art von Darstellung die Tatsache zu verdeutlichen, daß Luftdurchlässigkeit bestehen bleibt, obwohl fast völlige Lichtabschirmung gegeben ist.

,venxi dieses Material 6 mm dick ist und durchschnittlich ungefähr j6 Poren längs eines cm besitzt, gewährt es eine ausreichende Durchlässigkeit für Luftströme und schirmt Licht, welches senkrecht auf die Oberfläche fällt, fast völlig ab. Licht, welches unter einem schiefen Winkel auf dis Oberfläche einfällt, wira völlig abgeschirmt, da es einen längeren Weg zur Durchquerung des Materials brauchte. Wenn aas Material 32 Poren pro cm besitzt, wird es am besten in Verbindung mit einer lichtundurchlässigen Abdeckung oder Maske 6b auf d«r inneren.oder äußeren überfläch« in aera Bereich verwendet, der der zur .Fotozelle führenden cffnung direkt gegenüberliegt.. Statt diesen Wanabereich der "Kammer abzudecken, kann man an dieser stelle auch eine zusätzliche

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Schicht de a porösen Materials anbringen, was zur Folge hat, ■"iai-j an dieser ötelle Licht van außen im wesentlichen völlig abgeschirmt wird»

■Jenn das Material eine Dicke von H-, 7 mm und durchschnittlich ungefähr 16 Poren längs einea cm hat₃ ist der Zutritt der rauchhaleigen Luftströme in zufriedenstellender Weise ge-, währlöisüetj während Licht von außen abgehalten wird. Ebenso au-friederuteilend, läßt sich Material mit 4-,7 min Dick« und j2 Poren längs eines cm verwenden» Wenn das Gerät; in Rohren oder Kanälen von bekanntem Durchsatz wesentlicher Größe eingebaut ist, kann 6 mm dickes Material mit durchschnittlich ungefähr 40 Poren längs eines cm verwendet werden»

Andere Stoffe, wie z.B. Glasfasern, deren Fähigkeit;, Licht abzuweisen, aber Rauch enthaltende Luftströme durchzulassen, auf dem gleichen Prinzip beruht, können ebenfalls verwendet werden. Dem zuvor erwähnten Material aus Polyurethanschaum wiru aber deshalb eier Vorzug gegeben, weil seine fadenartigen Arme Teil eines zusammenhängenden Ganzen sind, die alle zur Festigkeit des Materials' beitragen und nicht dazu neigen, sich gegeneinander zu verschieben oder eine unregelmäßige Dichte aufzuweisen. Wie zuvor erwähnt wurde_s sollte aie innere überfläche uer Kammer optisch schwarz o^er fast optisch schwarz sein, um zu verhindern, daß Licht aus dem Strahl der Glühlampe reflektiert wird. Die innere überfläche 2 des Blocks 1, die eine Wand der Kammer bildet, kann ebenso wie die Wände der Durchführungen 21 und 22 optisch schwarz gestrichen werden, und die innere Oberfläche des Gehäuses kann durch Besprühen oder geeignetes Färben Optisch schwarz oder beinahe optisch schwarz gemacht werden. Diese Schwärze der inneren Fläche una der Fasern in der Wand des Gehäuses 6 ist vor allem im Bereich 6a, der durch den Lichtstrahl aus uer Lampe Im· getroffen wird, sehr wichtig. Der Bereich 6a wira deshalb nicht nur in seiner Mitte sondern auch darüber hinaus geschwärzt. Hoch besser ist es, die ganze innere υ borfläche der porosexi i-Iaterialschicht zu schwärzen. Darüber

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hinaus hat die skelettartige Struktur die Wirkung, dadurch Licht zu absorbieren, daß ein Teil des Lichts zu verschiedenen Tiefen durchgelassen wird, von welchen tieferen Stellen das reflektierte Licht durch die Seitenwände absorbiert und durch die RUckwände des skelettartigen Materials ver- · schluckt wird. In der Praxis können alle inneren und äußeren Überflächen 4er Fasern des Gehäuses 6 geschwärzt werden, um sie liehtabsorbierend und lichtundurchlässig zu machen. Weiter kann die von der Fotozelle 18 aus zu sehende Fläche 6b durch einen lichtundurchlässigen Schirm 6b auf der inneren Oberfläche des Gehäuses 6 oder innerhalb der Zwischenräume des Gehäuses oder auf seiner äußeren Oberfläche völlig von äußerem Licht abgeschirmt werden. ■- " '.

Faserartiger ßtaub wird von dem feinporösen Material abgehalten und kann sich deshalb nicht auf der anfangs optisch schwarzen inneren Oberfläche der Kammer absetzen.

Voraussichtlich wird sich etwas Staub auf der äußeren Oberfläche der porösen Warη absetzen, aber man kann annehmen, daß dies vorzugsweise an exnta umstimmten Stelle auf der Oberfläche geschieht, so daß, wenn man diese Oberfläche relativ groß macht, relativ freie Flächen zum Durchtritt der Luftströme in und aus der Karmer übrig bleiben.

Im Vergleich mit typischen liachweisgeräten für Hauch besitzt die Anordnung der Erfindung den Vorteil, eine vergleichbare Menge an Rauch durch viele kleine Offnungen, die über eine große -Oberfläche verteilt sind, anstatt durch eine oder mehrere große Öffnungen in einer ansonsten undurchlässigen Umhüllung eintreten zu lassen. Diese charakteristische Eigenschaft bietet dem Rauch ungehinderten Zutritt durch jeden beliebigen Bereich des skelettartigen Materials, welches den überwiegenden Teil der Umhüllung der Registrierkammer ausmacht und deshalb Rauch von sehr vielen Richtungen her durchläßt. Ein weiterer Vorteil des unregelmäßigen skelettartigen Aufbaus liegt in seiner Fähigkeit, innerhalb seines

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Körpers Fremdteilchen von" geringerer Größe als die der einzelnen Poren der Struktur einzufangen. Wegen seiner weiteren lichtabschirmenden Funktion hält die skelettartige Struktur auch Insekten ab₃ welche Licht reflektieren wurden und dadurch eine Fehlanzeige verursachen würden₉ falls sie durchgelassen wurden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der besonderen Anordnung der Wände, welche die Lichtdurchführungen 21 und 22 bilden. Die inneren Wände des Blocks l_s welche die Lichtdurchführungen festlegen» sind zueinander im rechten Winkel und zur Überfläche 2 des Blocks 1 unter k^° geneigt. Die Oberfläche 2 liegt also in einer Ebenej die beide Durchführungen abschneidet. Die Wände, welche die Durchfuhrungen begrenzen, sind von einander durch ein Zwischenstück des Blocks 1 getrennt, welches in einem Teil 2a der Schnittfläche 2 endet. Deshalb kann Licht, welches von den Wänden der Lichtdurchführung 21 reflektiert wird-, nicht direkt auf die Wände der Durchführung 22 zur Fotozelle fallen. Weiter sind die Kanten 2b,die von der Verbindungsstelle der Teiloberfläche 2a und den Durchführungen 21 unci 22 gebildet werden, räumlich durch die Teiloberfläche 2a getrennt, so daß Licht, welches um die Kante 2b gebeugt wird, nicht in die Durchführung gelangen kann, welche an die andere Kante 2b grenzt, und Staub, der sich an einer der beiden Kanten ansammelt, kann kein Licht in die Durchführung 22 zur Fotozelle streuen.

Eine ähnliche Abschirmung von Licht erhält man auf die in Figur k gezeigte Weise, in der zwei Röhren 21· und 22* in ein kreisförmiges poröses Gehäuse k^% führen und eine Durchführung zur Beleuchtung bzw. eine Durchführung.zur Fotozelle umschließen. Die inneren Enden der Röhren werden durch eine gemeinsame Ebene analog den Durchführungen unü 22 der Figur 1 abgeschnitten.

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Claims

Pa tent.a η Spruche

1. Gerät zum Nachweis von in einem Medium schwebenden Teilchen in einem Raum mit einer Vorrichtung₃ um Licht, welches an den Teilchen gestreut werden soll₃ entlang eiriöü ersten Lichtweges in dem Kaum auszustrahlen, mit einei¹ Vorrichtung zum Nachweis von entlang eine~>~ zweiten, den ersten kreuzenden Lichtwegsgestreutem Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die betreibenden Wege zumindest teil-

v/eise von bänden begrenzt bzw. völlig von einander ge- ™

trennt sind, so daß im ersten Lichtweg auf eine Wand fallendes Licht von der zweiten Wand abgeschirmt ist.

2. Gerät nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Wände Durchführungen festlegen, deren Enden durch den Schnitt mit einer Ebene gegeben sina, welche beide Durchführungen schneidet und- an dan Kaum angrenzt.

j. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Oberfläche in dieser Ebene, welche die Wände verbindet.

4·. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aaß die μ

Wände in einem massiven Korper gebildet werden, welcher aus lichtundurchlässigem Material besteht.

5. Gerät nach Anspruch k_s dadurch gekennzeichnet, daß die Wände Durchführungen festlegen, welche durch eine Ebene abgeschnitten sind, die beide Durchführungen schneidet und an den Raum angrenzt.

6. Gerät nach Anspruch *+, gekennzeichnet durch eine Oberfläche des Körpers, die in der Ebene liegt, welche die Wände verbindet,

'/. Gerät nach Anspruch I₃ gekennzeichnet durch eine wesentlich

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nicht lichtdurchlässige Vorrichtung₃ die den Raum umschließt, wobei ein wesentlicher Teil dieser lichtundurchlässigen Vorrichtung ein poröses Material enthält, welches für das Medium und die Teilchen durchlässig ist.

8. Gerät zum Nachweis von in einem Medium schwebenden Teilchen in einem Raum, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, um Licht, welches an den Teilchen gestreut werden soll, entlang eines ersten Lichtweges in dem Raum auszustrahlen, durch eine Vorrichtung zum Nachwels entlang eines zweiten, den ersten kreuzenden Lichtweges in dem Raum gestreuten Lichts, und durch eine wesentlich lichtundurchlässige Vorrichtung, eile den Raum umschließt, wobei ein wesentlicher Teil dieser lichtundurchlässigen Vorrichtung einen Körper aus porösem Material enthält, der fur das Medium und die Teilchen durchlässig ist.

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9· Gerät nach Anspruch .8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die innere Oberfläche des Körpers in dem ersten Lichtweg sehr stark absorbierend wirkt.

10.Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material Poren besitzt, deren durchschnittliche Zahl ungefähr von 16 bis ungefähr HO längs eines cm reicht.

11.Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich aas poröse Material aus einem skelettartigen, dreidimensionalen Netzwerk von Licht abschirmenden fadenförmigen Armen zusammensetzt, die durch ihre Verbindung zu einem Ganzen Licht von außen von der Kammer abhalten können, aber miteinander verbundene Poren bilden, die in der Luft schwebende Rauchteilchen üurch das Material in den Raum durch-. lassen.

12. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Bereich des porösen Materials zumindest in der

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Fläche, in der er im ersten kichtweg liegt, wesentlich optisch schwarz ist.

13»Gerät nach Anspruoh 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest de? innere Bereich des porösen Materials zumindest soweit er im Weg des ^weiten Lichtweges liegt, im wesent*- llöhen optisch schwarz ist* ·»

Xk,Gerät üach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil de^ ;|.ichtab$chirmenden Vorrichtung einen massiven Körper *Voh lichtttndurchlässigem Material enthält, der mit dem Körper aiis porösem Material verbunden ist und Wände £ür die Liqhtwege bildet.

ORIGINAL INSPECTED

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L e β r s e ί f e