DE1912298A1 - Messanordnung zur Bestimmung von lichtabsorbierenden Teil?hen,insbesondere Nebel und Rauch,in der Atmosphaere - Google Patents

Description

DR.- IN.G. H. FINCKE SöLtERSTR DIPL-ING. S. STAEGER . 11.

Beschreibung M 7921

zum Pat ent

der- Firma W i η 3 1 ο .w T e 1 e t r ο η I c a , Inc, Asburg Park; N.J. / V.StIA.

betreffend

MESSANORDIiUNG ZUR BESTIMMUNG 7ON LIOHTABSORBISRENDEN TEILCHEN, INSBESONDERE NEBEL UND RAUCH, IN DER

ATMOSPHÄRE

*·#
PRIORITÄT: keine

♦*♦

Kurebesehralbung

Die Erfindung beinhaltet eine Meßanordnung zur Bestimmung der Menge an Nebel oder Rauch in der Luft mittels eines Laßerlichtoträhie, welcher einen im wesentlichen monochromatischen, gebündelten Lichtstrahl erzeugt. Die gewählte Wellenlänge (6328 ft) liegt Innerhalb dee roten Teile des Spektrums. Eb werden Durchlassfliter verwendet, um das gesamte Umgebungslicht, einschiieaBlich Sonnenlicht, von den Anzeigesystemen fernzuhalten. Ein in der Anordnung enthaltener Lanerlichtgenerator let an ein geregeltes EnergioverBorungagoriit angeschlossen. 3ein Strahl durchläuft etwa 170 tu zu einem »roten Detektor, welcher eine Glelchoformung erzeugt. Ein ähnlicher Detektor iet nahe dem Laserliehfcgenorator bzw. der Strahlungsquelle aufgebaut und leitet deren Lichfcelngangsgrttaee von einer Strahltelleinriohtung ab, weiche in dem Wag des Laserstrahls angeordnet ist. Zur Bestimmung doa prozentualen Lichtintenoitfifcoverluatea boiai übergang durch die Atmosphäre sind Bchalterelemente vorgesehen.

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Ausführliche Beschreibung

Zur Messung der Lichtfortpflanzung Über eine weite Strecke in der Atmosphäre, insbesondere von einem hohen Gebäude oder Turm zu einem anderen Bauwerk, wurden bisher zahlreiche Anordnungen entwickelt, von denen die meisten unzuverlässig sind, weil sie in einem wesentlichen ÄÜBmäss durch Uingebühgslicht; beeinflusst werden, sei es durch das Sonnenlicht, durch künstliche Beleuchtung öder duröh andere Lichtquellen.

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung des Inteneitäteverluste8 von durch eine Atmosphäre verlaufende* Lioht. Sie Meßanordnung ist zweckmäasig zur Bestinuiung von Nebeii Sauöh und andereri Formen von Luftverschmütiung änwendbar. Gemäse eine« der Merkmale der Erfindung sind ein Schalter sowie elektrische Juatiereinrichtungeh vorgesehen, üb die Anordnung zueret zu eichen und danach unmittelbar den prozentualen Lichtintensitatsverluat in der Atmosphäre zu beotimmen. In der Anordnung wird ein Lasärlichtgenerator verwendet, welcher einen intensiven Lichtstrahl im tiefen roten Bereich des Spektrums erzeugt. Ein erster durch ein Durchlassfiiter abgeschirmter Detektor iet etwa 170 ι von dem Lasergeneraior entfernt angeordnet. Ein zweiter ähnlicher Detektor, ebenfalls durch ein Durcnlaasfilter abgeschirmt, ist neben dem Generator mit Bauelementen zur Beleuchtung eines lichtempfindlichen Wandlers durch einen Strtihlteilreflektor angeordnet. Die Einrichtung wird wegen der tiefroten Farbe der Filter sowie wegen dor PUhrungariualität de? Lichtgeneratore nicht durch Umgebungelioht boolnflussfe. Die Schalterei enoiite sind oo angeordnet, das« zuerst ein Aus gangegruasisn-Meeinstrument bei einer Maximalableaung eingaetellt wird, welche »inen Lichtweg ohne Absorption durch irgenwölche Teilchen bezeichnet, wonach auf eine MoÖßchaltüng uinge-

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ORlGfNAL fNSPECTED

schaltet wird, welche beide Detektoren sowie ein geregeltes Energieversorgungsgerät umfasst, um die prozentuale Lichtdur chlässigke it au bestimmen.

In der folgenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "Laser" einen Lichtverstärker, dessen Lichtstrahl durch Emission von einer Lichtpumpe erzeugt wird, die einen Festkörperkristall umgibt, beispielsweise einen Rubin, oder die rund um ein mit Gas, beispielsweise Helium/Neon, gefülltes Bohr verläuft. Sowohl Gae- als auch Rubinlaser sind Stand der Technik.

Die Erfindung'' 1st nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Flg. 1 ein Ausführungabeiepiel einer erfindungsgemäesen Anordnung mit Energieversorgungegeräten, zwei Detektoren und einer Meßeinrichtung in Blocköchaltbilddarstellung,

Fig. 2 eines der EnergieveraorgungegerSte für den Lasergenerator, überwiegend in Schaltbildderstellung,

Flg. 3 Einzelheiten der beiden Detektoren sowie" einer Umschalteinrichtung eur Eichung und Ablesung, überwiegend in Schaltbilddaretollung.

Die Anordnung genäse Fig. 1 kann durch ein elektrisches Energieversorgungegerät alt einer Wechselepannung von etwa 117 V versorgt werden. Bin Stecker 10 let in eine Wandsteckdose oder ein anderes geeignetes Energerieversorgungegerät eingesteckt; die EnergieBufünrung erfolgt eueret su einen WecheelSpannungeregler 11, welcher In an eich bekannter Weise wie ein entsprechendes Gerät für MeBschaltungen auf gebaut sein kann. Der Regler sollte die Spannungen für alle

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normalen Belastungen bei einer vorgegebenen Ausgangespannung innerhalb eines Bereiches von + 1}Co regeln. Ein erstes Energievereorgungsgerät 12 liegt an dem Regler 11 und liefert Energie an einen Lasergenerator 13. Einzelheiten des Energieversorgungagerätes sind in Pig. 2 veranschaulicht. Der Laaergenerator 13 erzeugt einen intensiven Lichtstrahl, welcher durch ein Linsensystem 14 fokussiert und alsdann durch eine Strahleneinrichtung 15 geleitet werden kann, welche aus einer GIasplanscheibe mit oder ohne eine dünne Beschichtung aus Silber an ihrer Vorderfläche bestehen kann. Der Laserlichtetrahl wird alsdann au einem Interferenedurchlassfliter 16 sowie zu einem lichtempfindlichen Wandler 17 gerichtet, den ein erster Detektor 18 nachgeschaltet let. Der TeW. des durch die Strahlteileinrichtung 15 abgelenkten Lichtes wird zu einem zweiten Durchlasefilter 20 sowie eine· zweiten lichtempfindlichen Wandler 21 gerichtet, dem ein zweiter Detektor 22 nachgeordnet ist.

Der erste und aweite Detektor 18, 22 nehmen Energie von einem zweiten Energieversorgungsgerät 23 auf. Die Ausgangsgrösse d<sr beiden Detektoren wird einer Meßeinrichtung 24 zugeführt. Die Meßeinrichtung umfasst einen Gleichstromverstärker 25 (in Pig. 3 als Block veranschaulicht), ein Ausgangsgrbssen-Meßinstrument 26, das an den Ausgang des Verstärkers 25 angeschlossen ist, sowie zwei Kippschalter 27, 28,deren Verbindungen ebenfalle in Pig. 3 veranechaulicht sind.

Das erste Enorgieveraorgungsgerät 12 ergibt sich in Einzelheiten aus Pig. 3. Die von dem Spannungsregler 11 geliefer-.te Energie wird einer Primärwicklung 30 eines Traneformatora 31 zugeführt, der in Reihe mit einen Startechalter 32 liegt. Eine Hochspannung liefernde Sekundärwicklung 33 an dem Transformator 31 ist mit einer Anordnung von Halbleiterdioden 34 verbunden, die einen Bestandteil einer Gloiehrichterschaltung 35 bilden. Eine Filterdroseel 36 und ein

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Kondensator 37 werden zum Ausfiltern von Hoc! Trequenzen aus dem gleichgerichteten Strom verwendet. Die Hochspannung wird einer Elektrode 38 des Lasers 13 in Reihe mit einem Begrenzerwiderstand 40 zugeführt. Der andere LaseranscihlusB 41 ist durch eine Leitung 42 mit Erde verbunden.

Der in Fig. 2 veranschaulichte Laser ist ein Gaslaser und umfasst eine Pumpelektrode 43 in Reihe mit der Sekundärwicklung 44 eines Transformators 45» der eine Primärwicklung 46 zwischen einer Seite der Sekundärwicklung 33 und einem Anschluss 47 einer zusätzlichen Kontaktgruppe 32A dee StortschalterB aufweist. Jeder Teil des Startachaitera 32 umfasBt einen Kontaktarm 48, 50 sowie Kontakte, die »it "Aue", "Ein" und "Start" bezeichnet sind.

Die Schaltung nach Pig. 3 umfasst die Filter 1fc, 20, die lichtempfindlichen Wandler 17, 21 sowie die Detektoren 18, 22. S3 können viele Forcen lichtelektrischer Wandler als naher und entfernter Wandler {21 und 17) verwendet werden. Wenn eine photoleitende Seile verwendet wird, auee eine Spannung in Serie zu den Detektoren liegen. Wenn photo elektrische Zellen verwendet werden, auss eine Hochopannunge-Bnergievereorgungseinrichtung mit jeden Detektor verbunden sein, und eine Kopplungsechaltucg muse alt den Zellen sowie die justierbaren Widerstände 18A, 22A verbunden sein. Die Wandler nach Fig. 3 erzeugen ihre eigene Spannung und brauchen keine ausätBliche elektrische Energieversorgung. Ein Anschluss jedes Wandlers ist mit einer gemeinsamen Leitung 50 verbunden, welche an einem Aneohlueü des Schalters 26 liegt. Die anderen Wandlerleitungen 51» öicd mit Anschlüssen an dem Schalter 27 verbunden, dessen Kontaktare in Heihe ait einem variablen Widerstand 53 an einem der Elngangeanschlüsee dee öleiohstroeveretärkera liegt.

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Ua die Anordnung ku Beginn eines Meßintervalls zu eichen, ist der Schalter 28 vorgesehen. Die beiden unteren Schalteranschlüase sind mit einer GleichBpannungsquelle 54 sowie einem justierbaren Spannungeteiler 55 verbunden. Gemäas Fig. 3 ist die Gleich3pannungBquelle eine Batterie, jedoch kann auch irgendeine andere GleichBpannungsquelle verwendet werden,, beispielsweise Gleichrichter in Verbindung mit dem Wechselspannungssystera zusammen mit einem Stabilisator, welcher als Zenerdiode ausgebildet sein kann.

Io Betrieb wird die Strahlungequelle, welche den Lasergenerator enthält, feet an einen Gebäude oder Turn angebracht und gegen eine Empfangsstation gerichtet, welche eine Entfernung von etwa 17Om haben kann. Der entfernte Detektor wird in der Empfangsstation angebracht und in seiner Lage so Justiert, dass er von dem Lasergenerator eine maximale Lichtenergie aufnimmt. Dies 1st die Betriebsetellung. Wenn die Bestandteile geeicht und justiert eind_p zeigt das Ausgangegrussenanzelgeinstruaent den prozentualen Anteil des Über die Entfernung übertragenen Lichtes zwischen dem Lasergenerator und dem entfernten Detektor. Da die Bestandteile, besonders die lichtempfindlichen Wandler, variable Kennwerte aufweisen, ist/erforderlich, die Anordnung, zu eichen und bestimmte Widerstände zu justieren, bevor das Instrument den Prozentsatz des Übertragenen Lichtes abzulesen gestattet. Um dies durchzuführen, werden die Schalter 27, 28 beide nach rechte (in Blickrichtung von Pig. 3) bewegt, um die Eichung durcheufUhren. Um den Lasergenerator 13 in Betrieb zu setzen, wird der Anordnung Energie zugeführt, indem die Wecheelspannungsanschlüsse an eine Wechaelepannunfes-Energieversorgungsleltung (siehe Fig. 2) angeschlossen werden. Alsdann wird der Schalter 32 nebet der Kontaktgruppe 32A betätigt, um die Kontaktarme 43, 50 über 10 Sekunden in die Einechaltetellung zu bringen. Durch diese Einstellung liegt die Wechselspannung

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an dem Transformator 31 und versorgt Elektroden 38, 41 mit Glaichhochspannung. Nach einer etwa 10 Sekunden umfassenden Aufwärmperiode wird der Schalter 32(nebst Kontaktgruppe 32A)in die Startstellung bewegt, und die Hilfselektrode 43 wird mit dem Wechselspanmmgs-Energieversorgungsgerät mittels des Transformators 4 5 verbunden. Der Laser "zündet" alsdann, und die Bedienungsperson gibt den Schalter frei, wodurch ermöglicht wird, dass die Arme 48, 50 mittels (nicht gezeigter) elastischer Elemente in die Einschaltstellung zurückgebracht werden.

Das System wird nun vor dem Eichvorgang über etwa eine Stunde laufengelassen. Zur Sichung werden zuerst der Schalter 27 in die rechte Stellung (in Blickrichtung von Fig. 3) gebracht und der Widerstand 22A justiert, bis das Instrument 26 auf seiner Skala den Wert 100 anzeigt. Alsdann werden der Schalter 27 nach links bewegt und der entfernte Detektor 17 unmittelbar vor dem Laserstrahl gebracht. Der Widerstand 18A wird justiert, bis an dem Instrument 26 eine Ablesung von 100 Skalenteilen auftritt. Der entfernte Detektor wird nunmehr in sein richtiges Gehäuse gestellt und wieder mit dem Kabel/verbunden, welches eine Verbindung mit der Steuerschaltung herstellt. Die Gl.eichspannungsquelle 54 und deren Justierwiderstand 55 befinden sich zu diesem Zeitpunkt nicht in dem Stromkreis; lediglich ein Detektor kann au einem bestimmten Zeitpunkt mit dem Instrument des Verstärkers zu dessen Justierung verbunden werden, Schliesslich werden die Schalter 27_f 28 beide nach links bewegt. Wenn sich beide Detektoren in ihrer richtigen Stellung befinden und kein Nebel und/oder keine atmosphärische Verschmutzung vorliegen, wird der Widerstand 55 so justiert, dass das Instrument 100 Skalenteile ariBeigt. Die Anordnung ist nun zum normalen Betrieb bereit.

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Während des normalen Betriebes kann der Eingangsstromkreis des Gleichstromverstärkers von.der Erdleitung 66 aus verfolgt werden₅ und zwar über den variablen Widerstand 53, den Schalter 27 sowie die Leitung 52, die Photozelle 17, ' wo eine Spannung zugefügt wird, alsdann über die Leitung. 50, au der Hrhtempfindlichen Zelle 21, wo eine Gegenspannung zugefügt wird. Der Stromkreis setzt sich von der Zelle 21 zu dem Kontaktarm des Schalters 28 oben links fort, alsdann zu dem Widerstand 55, wo eine dritte Spannung zugefügt wird, und schllesslicb zu dem unteren Kontaktarm, der Leitung 67 und dem anderen Anschluss des Verstärkers 25. Wenn kein Nebel bzw« Dunst vorliegt und die Atmosphäre klar ist, löschen sich die beiden durch die Detektoren 17, 21 zugefügten Spannungen aus,, und die Ablesung von 100 Skalentei-

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len an dem Instrument/ergibt sich gänzlich aus der Spannung, welche durch die Batterie 54 sowie den Widerstand 55 zugefügt wird. Wenn der entfernte Detektor 17 weniger als seine normale Lichtmenge aufnimmt, wird die Eingangespannung reduziert, und das Instrument 26 zeigt eine Ablesung von weniger ale 100 Skalenteilen und damit das Vorliegen von absorbierenden Teilchen in der Luft an.

Es wird für notwendig gehalten, die Anordnung eumindeet einmal täglich ssu Überprüfen, um Bichersustellen, dass der entfernte Detektor seine Kennwerte nicht geändert bat und keine Fehlablesung ergibt. Aue dieses Grund ist ein Motor

57 vorgesehen und mit den Anschlüssen dea Wechselstrom-Energieversorgungsgerätes verbunden. Ein Reduktionsgetriebe

58 ist mit der Notorwelle verbunden, um die Wellenbewegung zu untersetzen und eine Bewegung an einer zweiten Welle 60 BU erzeugen, welche sich mit der Drehzahl von einer Umdrehung pro Stunde dreht. Ein Nooke» 41 ist an der Welle 60 befestigt und betätigt ein normalerweise geschlossenes paar von Kontakten 62, um diese einnal pro Tag Über eine

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Zeitdauer von etwa 75 Sekunden zu öffnen. Die Kontakte 62 liegen in Reibe mit der Leitung 63» die von den entfernten Wandler 17 her verläuft, so dass dieser einmal täglich völlig abgeschaltet wird, wobei zu diesem Zeitpunkt die Ablesung an dem Instrument Null sein sollte. Eine Nullabieeung unter diesen.Bedingungen zeigt an, dass die Spannung an dem Widerstand 55 durch eine gleiche Spannung ausgeglichen wird, die durch die örtliche Detektorschaltung 21, 22 erzeugt wird.

Die meisten'Einrichtungen dieser Art werden 24 Stunden pro Tag betätigt, wobei in diesem Pail das Instrument 26 durch eine Aufzeichnungseinrichtung ersetst wird·, die eine Linie auf einem beweglichen Papierstreifen aufzeigt, um die prozentuale Luftverschmutzung oder den Nebel zu irgendeiner Zeit anzuzeigen und eine dauernde Aufzeichnung zu gewährleisten. Dia jeden Tag durchgeführte Nullprüfung ist alsdann von besonderer Wichtigkeit, &® sie sine dauernde Prüfung an den empfindlichen Bestandteilen gewährleistet.

Aus den vorangehenden Erläuterung®» ergibt Bläh, das® das ©rfindungegen&see Gerät sur Messung' der Transparent" der Atmosphäre leioiit transportabel ist. !iac? derartig® Einrichtung kann an jeäea Snö® ®is@s fli%'s«iig@© ©©festigt ®©ln, us a@m Piloten eise Anseig® &®w U^ebuageftlölttTerh&ltitise· su geben^ Durch Extrapolation Stöaste muQh die fransparens Über ein® grosser© SsatfemuEg ©rsiitt@lt wsam» Ba aa® Systee an slag® Flugzeug aneebrüßMt ^«g'dan temimk, ist »® aueli sur £r». aittlung von Bates geeignet, w@la&9 üi® fw&mp&vmnm bei Beträchtun« in Hiebtue« achräg sur Srdoberfläobe betreff«», wo lamer slob euch das Flugzeug befindet.

Die tragbare Anordnung kann alt dem Lfteer an der Vorderseite eines Lastwagens und der entfernte Detektor an dem anderen' Ende so angebracht werden, dass die Ablesungen durchführbar sind, wenn der Lastwagen eine Rundetrecke durchfährt.

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Claims (1)

1. JlO

   Patentansprüche

   1./Meßanordnung zur Bestimmung von liehtabsorbierenden Teilchen in der Atmosphäre mit ern.er Strahlungsquelle nebet lOkussierungselementen zur Bildung eines im wesentlichen parallelen Strahls, gekennzeichnet durch eine Strahlteileinrichtung (15) zur Reflexion eines Teils-des Lichtes in einem bestimmten Winkel aur Durchführung einer örtlichen Messung, eitmen auf das örtlich vorliegende Licht ansprechenden Detektor (22) neben der Strahlungsquelle (13) sowie in dem Weg des reflektierten Lichtstrahls zur Bestimmung der örtlichen Lichtintensität, einen entfernten lichtempfindlichen Detektor (18) im Abstand von der Strahlungsquelle 3owie in solcher Anordnung, dass der Lichtstrahl nach Durchlaufen eines Teile der Atmosphäre zur Bestimmung der Lichtintensität am dem ®atfernten Ort aufgenommen wird* eine justierbare Spssaungsciuelle (54)? ' elektrisch® Yerbindungselemeate zuv Verbiaduxig des örtlichen und des entfernten liclatüiapflailichea Detektors (22 j 18) ia Reife® mit der jnati@rfe@r©ia Spa&mmgsciuell©,, wobei «Si© Detektoren zur Erg©KgMsg ©sstgsgeagericlEteter . -

   ϊ₉ UH di®

   die AtiaospMre

   2« Anordnung nach Ansprissä I₀ datarati g@k@aag5©ießfö@t die Strahlungequelle (13) ein'Laaer ist.

   5. Anordnung nach eine» der Anspruch® 1-2_f dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtfilter (20, 16) vor Jedem der Detektoren (22, 18) angeordnet ist, um Umgebungslicht quellen auszufiltern und lediglich die seitens der Strahlungsquelle erzeugten Wellenlängen durchzulassen.

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   4. Anordnung nacb einem der Ansprüche 1-2» dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (27) vorgesehen ist, um jeden der lichtempfindlichen Detektoren (22, 18) mit den entsprechenden Eingangsanschiüseen des Verstärkers

   (25) zum Zweck einer Eichung zu verbinden.

   5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Detektoren (22, 18) lichtempfindliche Zellen (Wandler 21, 17) umfassen, welche eine·elektrische Spannung erzeugen, wenn licht daran angelegt wird.

   6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass jede der lichtempfindlichen Zellen (Wandler 21, 17) mit einem variablen Widerstand (22A, 18A) zur Justierung der Ausgangsspannung gekoppelt ist.

   7. Anordnung.nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (13) ein mit Helium gefüllter Gaslaser von solcher Einstellung ist, dass Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des Bereiches von 0,6-0,7 Mikron emittiert wird.

   6. Anordnung nach einen der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, das« die Ausgangeanecblüese alt einen auf seichnenden StrosseBinstrunent verbunden sind, welches eine Linie auf einem beweglichen Papierstreifen aazeigt.

   9. Anordnung nach eines der Ansprüche 1-8» dadurch gekennzeichnet, dass ein Motor (57) eur Trennung des entfernten lichtempfindlichen Detektore (18) von dem Anzeigeinatrument

   (26) zu bestimmten Zeitintervallen zwecke Brseuguog einer Hullablesung sowie zu ÜberprUfungszwecken vorgesehen ist.

   Pur Firma Winslow Teletronics, Inc.:

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   ML-INO. H. FINCO, DIPl.-ING. H. ·ΟΗ« ΜΗΛΙΝΟ.·. Sl AEG«

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