DE19730504A1 - Particle emission detection of diffuse source - Google Patents

Particle emission detection of diffuse source

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DE19730504A1 DE1997130504 DE19730504A DE19730504A1 DE 19730504 A1 DE19730504 A1 DE 19730504A1 DE 1997130504 DE1997130504 DE 1997130504 DE 19730504 A DE19730504 A DE 19730504A DE 19730504 A1 DE19730504 A1 DE 19730504A1
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    • G01N21/534—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke by measuring transmission alone, i.e. determining opacity

Abstract

The diffuse source is arranged between a background and a detection arrangement. The light intensity during the particle emission of the diffuse source are recorded in spatial and temporal resolution, and a temporal course of the concentration index of the particle emission is determined from the data of the measured light intensity. The method includes the steps of providing an illuminated background on one side of a measuring arrangement and a detection arrangement on the opposite side, with an observation direction in the direction of the background, whereby the detection arrangement is designed in such way, that it can measure a light intensity incident at a pre-settable spatial angle in a plane vertical to the observation direction with a spatial and temporal resolution. A CCD camera is preferably used as the detection arrangement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Erfassung der Partikelemission einer diffusen Quelle, die insbesondere zur Bewertung der Staubemissionen diffuser Staubquellen und zur Bestimmung des Einflusses von Anlagen- und Schüttgutparametern auf die Staubemissionen eingesetzt werden können. Die Bewertung der Staubemissionen diffuser Quellen spielt insbesondere beim Umschlag, bei Transport, Lagerung und Bearbeitung von Schüttgut eine Rolle. Die Messung der Staubemissionen ist für die Bestimmung der Emissionen und die Entwicklung von Minderungsmaßnahmen bei derartigen Anlagen erforderlich.The present invention relates to a method and a Measuring arrangement for recording the particle emission of a diffuse source, particularly for evaluating the Dust emissions from diffuse dust sources and for determination the influence of plant and bulk material parameters the dust emissions can be used. The Assessment of dust emissions from diffuse sources plays a role especially when handling, transporting, storing and Processing bulk goods a role. The measurement of Dust emissions is for determining emissions and the development of mitigation measures for such Attachments required.

Bisher wird die Staubemission aus diffusen Quellen auf der Basis von Immissionsmessungen lediglich abgeschätzt. Hierbei wird von den Ergebnissen weniger Immissionsaufpunkte um eine Quelle auf die Gesamtemission der Quelle hochgerechnet.So far, the dust emission from diffuse sources based on immission measurements. The results are less Immission points around a source on the total emission extrapolated from the source.

Diese Methode verursacht jedoch schon daher große Fehler, diffuse Quellen von Natur aus eine starke zeitliche und örtliche Schwankung der Emission aufweisen. Außerdem lassen sich aufgrund der langen Mittelungszeiträume keine da diffenzierten Aussagen treffen. Das Verfahren ist ungenau und sehr zeitaufwendig. Weiterhin ist es nicht möglich, das Verfahren bereits im Planungsstadium einer Schüttgutanlage einzusetzen, um eine Prognose über die später auftretenden Staubemissionen abgeben zu können.However, this method already causes big errors diffuse sources inherently strong temporal and exhibit local fluctuations in emissions. Furthermore cannot be due to the long averaging periods because differentiated statements make. The procedure is inaccurate and very time consuming. Furthermore, it is not possible the process is already in the planning stage Bulk material plant to use to forecast the to be able to give off dust emissions that occur later.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches, genaues und schnelles Verfahren sowie eine Meßanordnung zur Erfassung der Partikelemission einer diffusen Quelle anzugeben, das sowohl im Laborbetrieb als auch bei Felduntersuchungen die Bewertung diffuser Staubquellen erlaubt.The object of the present invention is therefore a simple, precise and quick procedure as well as one Measuring arrangement for recording the particle emission of a diffuse source to indicate that both in laboratory operation and Diffuse assessment also for field examinations Dust sources allowed.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Meßanordnung nach Anspruch 1 und 9 gelöst. Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Meßanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the features of the invention Method or the measuring arrangement according to the invention Claims 1 and 9 solved. Special configurations of the The method and the measuring arrangement are the subject of Subclaims.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die diffuse Staubquelle zwischen einem vorzugsweise möglichst gleichmäßig ausgeleuchteten Hintergrund und einer Detektionseinrichtung angeordnet. Der gleichmäßig ausgeleuchtete Hintergrund kann beispielsweise durch eine Leinwand realisiert werden, die mit Hilfe künstlicher Lichtquellen ausgeleuchtet wird. Es ist jedoch auch möglich, den Himmel als gleichmäßig ausgeleuchteten Hintergrund zu nehmen, solange zeitliche Intensitätsschwankungen der Helligkeit langsam im Vergleich zur Meßzeit sind. Die Detektionseinrichtung mißt die Intensität des Lichtes, das unter einem bestimmten Raumwinkel aus der Richtung des Hintergrundes einfällt, in Abhängigkeit von der Zeit. Die Messung erfolgt ortsaufgelöst in einer Ebene (x, y), die senkrecht zur Beobachtungsrichtung, d. h. senkrecht zur mittleren Einfallsrichtung der gemessenen Lichtintensität, liegt. Die Staubemission der diffusen Quelle während der Messung verursacht eine orts- und zeitabhängige Schwächung der Lichtintensität. Diese Schwächung der Lichtintensität ist ein Maß für die Staubkonzentration. Aus dem zeitlichen Verlauf der Intensität kann somit für jeden gemessenen Koordinatenpunkt (x, y) eine Staub- bzw. Partikelkonzentration in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt werden. Auf diese Weise wird der zeitliche Verlauf des Konzentrationskennfeldes der Partikelemission bestimmt. Die Bestimmung kann hierbei sofort während oder nach der Messung, beispielsweise über einen angeschlossenen Computer, oder zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. Soll die Bestimmung zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, ist es jedoch notwendig, den zeitlichen Verlauf der gemessenen Intensität I(x, y, t) aufzuzeichnen. Die Detektionseinrichtung kann hierzu beispielsweise aus einer Videokamera mit einem angeschlossenen Recorder bestehen.In the method according to the invention, the diffuse Dust source between one preferably if possible evenly lit background and one Detection device arranged. The evenly Illuminated background can be, for example, by a Canvas can be realized with the help of artificial Light sources is illuminated. However, it is also possible the sky as evenly lit. Take background as long as temporal Intensity fluctuations in brightness slowly in the Are compared to the measurement time. The detection device measures the intensity of the light that is under one certain solid angle from the direction of the background occurs depending on the time. The measurement takes place spatially resolved in a plane (x, y) that perpendicular to the direction of observation, d. H. perpendicular to mean direction of incidence of the measured Light intensity. The dust emission of the diffuse Source during the measurement caused a local and time-dependent weakening of the light intensity. This Attenuation of the light intensity is a measure of that Dust concentration. From the course of time of the Intensity can thus be measured for everyone  Coordinate point (x, y) a dust or Particle concentration as a function of time be determined. In this way the temporal Course of the concentration map of the particle emission certainly. The determination can be made immediately during or after the measurement, for example via a connected computer, or to a later one Time. Should the determination be made at a later date At the time, it is necessary to temporal course of the measured intensity I (x, y, t) to record. The detection device can do this for example from a video camera with a connected recorders.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich das Konzentrationskennfeld der Partikelemission oder Staubemission bei Schüttgutumschlägen sowohl zeitlich als auch örtlich hochauflösend erfassen. Das Verfahren läßt sich einfach und schnell durchführen, und der apparative Aufwand für die Systemkomponenten ist gering. Durch den Einsatz des photometrischen Meßprinzips kann die Messung berührungslos durchgeführt werden, d. h. die Emission der diffusen Quelle wird nicht beeinflußt. Mit dem Verfahren besteht erstmalig die Möglichkeit, Staubemissionen beim Schüttgutumschlag direkt zu messen. Aufgrund der zeit- und ortsaufgelösten Messung kann die Staubemission sehr genau bestimmt werden. Das Verfahren kann ohne große Probleme im Labormaßstab eingesetzt werden. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um die Staubemission bei Schüttgutumschlägen in Abhängigkeit von ihren Einflußgrößen detailliert zu untersuchen.This can be done with the method according to the invention Concentration map of the particle emission or Dust emissions from bulk handling both in time also record locally with high resolution. The procedure leaves to carry out easily and quickly, and the apparatus The effort for the system components is low. By the The measurement can be used using the photometric measuring principle be carried out without contact, d. H. the emission of the diffuse source is not affected. With the procedure for the first time there is the possibility of dust emissions from the Measure bulk material handling directly. Due to the time and spatially resolved measurement can be very dust emission be determined exactly. The process can be done without much Problems can be used on a laboratory scale. With that created the conditions to reduce dust emissions Bulk cargo envelopes depending on their To examine influencing factors in detail.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die dazugehörige Meßanordnung werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen: The method according to the invention and the associated one Measuring arrangement are based on a Embodiment in conjunction with the drawings explained in more detail. Here show:  

Fig. 1 ein Beispiel für eine Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; FIG. 1 shows an example of a measuring arrangement for carrying out the method according to the invention;

Fig. 2 ein Beispiel für eine Detektionseinrichtung mit nachgeschalteter Aufzeichnungs- und Auswerteeinheit; Figure 2 is an example of a detection device with a downstream evaluation unit and recording.

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Beleuchtungstechnik; Fig. 3 is a schematic representation of the lighting equipment;

Fig. 4 ein Beispiel für eine Anordnung der Systemkomponenten zur Durchführung des Verfahrens; Fig. 4 is an example of an arrangement of the system components for carrying out the method;

Fig. 5 ein Beispiel für die von der Detektionseinrichtung aufgezeichnete Verteilung der Lichtintensität zu verschiedenen Zeitpunkten der Messung;5 shows an example of the recorded by the detection means of the light intensity distribution at different points of measurement.

Fig. 6 ein Beispiel für den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten zeitlichen Verlauf der emittierten Staubmenge einer diffusen Quelle; und Fig. 6 is an example of the calculated with the inventive method time course of the amount of dust emitted diffuse source; and

Fig. 7 ein Beispiel für eine experimentell ermittelte Kalibrierkurve für Steinkohle. Fig. 7 is an example of an experimentally determined calibration curve for coal.

Das Ausführungsbeispiel betrifft die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Labormaßstab.The embodiment relates to the implementation of Process according to the invention on a laboratory scale.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das photometrische Meßprinzip zugrunde. Bei photometrischen Meßverfahren wird ein Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge λ bzw. eines bestimmten Wellenlängenspektrums I0(λ) durch einen Meßraum mit der Tiefe d geleitet. Im Meßraum befindet sich das Medium mit der zu ermittelnden Stoffkonzentration c. Ein lichtempfindlicher Sensor mißt die durch das Meßvolumen tretende Lichtintensität I. Der Zusammenhang zwischen der Stoffkonzentration c und der gemessenen Lichtstärke I wird durch das Lambert-Beer'sche Gesetz beschrieben. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen der im Versuchsraum der Tiefe d durch Absorption und Streuung geschwächten Lichtintensität I und der Ausgangslichtintensität I0 durch folgende Gleichung:
The method according to the invention is based on the photometric measuring principle. In photometric measuring methods, a light beam of a certain wavelength λ or a certain wavelength spectrum I 0 (λ) is guided through a measuring space with depth d. The medium with the substance concentration to be determined is located in the measuring room. A light-sensitive sensor measures the light intensity I passing through the measurement volume. The relationship between the substance concentration c and the measured light intensity I is described by Lambert-Beer law. It describes the relationship between the light intensity I weakened by absorption and scattering in the test room of depth d and the output light intensity I 0 by the following equation:

Ex = ln I/I0 = -ε.c.d (Gl. 1)
Ex = ln I / I 0 = -ε.cd (Eq. 1)

wobei Ex die Extinktion, der Faktor ε den Extinktionskoeffizienten darstellt.where Ex is the extinction, the factor ε the Represents extinction coefficient.

Dieses Meßprinzip der Photometrie wird bei der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung des Kennfeldes der Staubkonzentration als Funktion des Ortes und der Zeit c(x, y, t) eingesetzt. Dies stellt eine geeignete Zustandsfunktion zur vollständigen Beschreibung der Staubemission bei Schüttgutumschlägen dar. Zur Bestimmung dieser Zustandsfunktion werden im folgenden Ausführungsbeispiel die Umschlagvorgänge in einem Kontrollraum vor einem gleichmäßig ausgeleuchteten Hintergrund mit einer Videoanlage aufgezeichnet. Ein schematischer Aufbau der Meßanordnung ist in Fig. 1 zu sehen. Der Kontrollraum (3) befindet sich in Beobachtungsrichtung einer Kamera (1) zwischen dieser und einer Leinwand (2). Die Leinwand wird über eine Lampenbatterie (4) gleichmäßig ausgeleuchtet. An der Oberseite des Kontrollraums befindet sich ein Greifer (5), in dem sich das Schüttgut befindet. Mit der Kamera wird der gesamte Vorgang der Staubemission ab Öffnung des Greifers vor der ausgeleuchteten Leinwand aufgezeichnet. This measuring principle of photometry is used in the present invention to determine the characteristic diagram of the dust concentration as a function of the location and the time c (x, y, t). This represents a suitable status function for a complete description of the dust emission in the case of bulk material handling. To determine this status function, the handling processes are recorded in a control room in front of a uniformly illuminated background with a video system. A schematic structure of the measuring arrangement can be seen in FIG. 1. The control room ( 3 ) is located in the direction of observation of a camera ( 1 ) between this and a screen ( 2 ). The screen is evenly illuminated by a lamp battery ( 4 ). At the top of the control room there is a gripper ( 5 ) in which the bulk material is located. The entire process of dust emission from the opening of the gripper in front of the illuminated screen is recorded with the camera.

Die mit der Kamera erfaßte Lichtschwächung ist ein Maß für die Staubkonzentration. Für jeden Zeitpunkt des Vorgangs im Kontrollraum kann das entsprechende Videobild mit Hilfe eines Computer-Video-Interface in einem Computer verarbeitet werden. Auf diese Weise kann jedem Bildpunkt unter Anwendung des Lambert-Beer'schen Gesetzes eine Staubkonzentration zugeordnet werden. Fig. 2 zeigt die Kamera (1) mit der zugehörigen Aufnahme und Auswerteeinheit. Die von der Kamera (1) erfaßte Intensitätsverteilung wird von einem Aufnahmerecorder (6) auf einer Videocassette (7) aufgezeichnet. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die Aufzeichnung über einen Zuspielrecorder (8) in einem Computer (9) weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Die Kamera ermittelt die Lichtintensität I(x, y, t) als Funktion der senkrecht zur Kamerablickrichtung (Beobachtungsrichtung) orientierten Bildkoordinaten x und y und der Zeit t. Diese Lichtintensität wird mit Hilfe des Videorecorders (6) aufgezeichnet. Die Berechnung der Staubkonzentration c(x, y, t) erfolgt in einem Computer (9), der die analoge Lichtintensität I(x, y, t) mittels eines Videoadapters digitalisiert.The attenuation of light recorded by the camera is a measure of the dust concentration. For each point in time in the control room, the corresponding video image can be processed in a computer using a computer video interface. In this way, a dust concentration can be assigned to each pixel using Lambert-Beer law. Fig. 2 shows the camera ( 1 ) with the associated recording and evaluation unit. The intensity distribution detected by the camera ( 1 ) is recorded by a recording recorder ( 6 ) on a video cassette ( 7 ). At a later point in time, the recording can be processed and evaluated in a computer ( 9 ) using a playback recorder ( 8 ). The camera determines the light intensity I (x, y, t) as a function of the image coordinates x and y oriented perpendicular to the camera viewing direction (observation direction) and the time t. This light intensity is recorded using the video recorder ( 6 ). The dust concentration c (x, y, t) is calculated in a computer ( 9 ) which digitizes the analog light intensity I (x, y, t) using a video adapter.

Die Berechnung der Staubkonzentration c(x, y, t) wird nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz durchgeführt (Gl. 2)
The dust concentration c (x, y, t) is calculated according to Lambert-Beer law (Eq. 2)

Auf diese Weise kann jeder Stelle der Projektionsebene eine Staubkonzentration zugeordnet werden.In this way, any point on the projection plane a dust concentration can be assigned.

Der Kontrollraum selbst ist als geschlossenes System mit festen Wänden ausgeführt. So sind definierte Randbedingungen, wie z. B. ruhende Umgebungsluft, gewährleistet und die Ausbreitung von Staub im Laborbereich wird vermieden. Die Wände des Kontrollraumes müssen in Beobachtungsrichtung aus optisch transparenten Materialien bestehen. Vorzugsweise werden hierzu Glasscheiben eingesetzt, da diese im Gegensatz zu Kunststoffen pflegeleichter sind. Auf diese Weise können langfristig konstante optische Eigenschaften sichergestellt werden.The control room itself is part of a closed system solid walls. So are defined Boundary conditions, such as B. resting ambient air, ensures and the spread of dust in the  Laboratory area is avoided. The walls of the control room must be made of optically transparent in the direction of observation Materials exist. This will be preferred Glass panes used, as opposed to Plastics are easier to care for. That way you can long-term constant optical properties be ensured.

Die Kontrollraumabmessungen sind von der Größe der zu vermessenden Anlagen und Vorgänge abhängig. Der realisierte Kontrollraum ist quaderförmig, mit einer quadratischen Grundfläche von 1,25 m×1,25 m und einer Höhe von 1,00 m. Die Seitenwände und der Boden bestehen aus handelsüblichem Fensterglas mit einer Stärke von 4 mm, der Deckel aus einer 11 mm starken Sperrholzplatte. Die Wände werden von einem Gestell aus Aluminiumprofilen getragen. Der Auf- und Umbau des Kontrollraumes kann ohne besondere Hilfsmittel von zwei Personen durchgeführt werden.The control room dimensions depend on the size of the measuring systems and processes. Of the Control room realized is cuboid, with a square base of 1.25 m × 1.25 m and one Height of 1.00 m. The side walls and the bottom are made up made of standard window glass with a thickness of 4 mm, the lid made of 11 mm thick plywood. The walls are supported by a frame made of aluminum profiles carried. The control room can be set up and converted without special aids carried out by two people become.

Für die Meßgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist eine konstante und homogene Ausleuchtung des Hintergrundes von Vorteil. Eine Beleuchtung mit einer Lichtstärke, die nur wenige Prozent über die gesamte Hintergrundfläche schwankt, wird durch die in Fig. 3 skizzierte Aufprojektionsanordnung erzielt. Hierbei sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bereits in Fig. 1. Die als Lichtquellen (4) verwendeten Gasentladungslampen (Leuchtstoffröhren) zeichnen sich durch eine hohe Lichtausbeute und einen Lichtstrom, der parallel zur Lampenachse unabhängig von der Beobachtungsrichtung ist, aus. Die Projektionswand (2) ist mit handelsüblicher weißer, matter Wandfarbe gestrichen, die das Licht mit einem Reflexionsgrad von ca. 0,8 vollkommen diffus reflektiert. So kann eine homogene Hintergrundbeleuchtung erzielt werden, die keine Spiegel- und Glanzeffekte aufweist. Mit der in Fig. 3 skizzierten Beleuchtungstechnik kann eine Ausleuchtung des Hintergrundes erzielt werden bei der die Abweichung Mittelwert der Beleuchtungsstärke bei 90% der Fläche unter 2,5% liegt. Die Beleuchtungsstärke in der Mitte der Fläche beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 900 Lux.A constant and homogeneous illumination of the background is advantageous for the measurement accuracy and the reproducibility of the results. Illumination with a light intensity that fluctuates only a few percent over the entire background area is achieved by the projection arrangement outlined in FIG. 3. The same reference numerals are used here as in FIG. 1. The gas discharge lamps (fluorescent tubes) used as light sources ( 4 ) are distinguished by a high luminous efficacy and a luminous flux which is parallel to the lamp axis and independent of the direction of observation. The projection screen ( 2 ) is painted with standard white, matt wall paint, which reflects the light with a degree of reflection of approx. 0.8 completely diffusely. In this way, homogeneous backlighting can be achieved that has no mirror and gloss effects. With the lighting technology outlined in FIG. 3, illumination of the background can be achieved in which the deviation mean of the illuminance is less than 2.5% in 90% of the area. The illuminance in the middle of the surface is approximately 900 lux in the present exemplary embodiment.

Die Lichtfarbe der Gasentladungslampen (hier Neonlampen) ist entsprechend der Lichtempfindlichkeit der Videokamera gewählt. Die Lichtempfindlichkeit der Kamera wird durch die der drei CCD-Chips für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau bestimmt. Die verwendeten Leuchtstoffröhren weisen hohe Lichtintensitäten in den Wellenlängenbereichen der höchsten Lichtempfindlichkeit der CCD-Chips auf. Auf diese Weise ist eine optimale Aussteuerung der Lichtsensoren gegeben.The light color of the gas discharge lamps (here neon lamps) is according to the light sensitivity of the video camera chosen. The camera's sensitivity to light is determined by that of the three CCD chips for the three primary colors red, green and blue determined. The fluorescent tubes used exhibit high light intensities in the Wavelength ranges of the highest light sensitivity of the CCD chips. This is an optimal one Control of the light sensors given.

Als Lichtsensor wird vorliegend eine Videokamera eingesetzt. Im Prinzip kann jede handelsübliche Kamera (auch Schwarzweiß) verwendet werden, die einen geeigneten elektrischen Ausgang für eine Magnetaufzeichnung der Bildsequenzen besitzt. Im Ausführungsbeispiel wird eine professionelle Farbvideokamera mit 3-Chip-CCD-Bildwandler eingesetzt. Die Kamera erlaubt eine Auflösung des Bildes 500×582 (horizontal×vertikal) Bildpunkten.In the present case, a video camera is used as the light sensor used. In principle, any commercially available camera (also black and white) can be used, the appropriate one electrical output for a magnetic recording of the Owns image sequences. In the exemplary embodiment, a professional color video camera with 3-chip CCD image converter used. The camera allows a resolution of the picture 500 × 582 (horizontal × vertical) pixels.

Der Strahlengang im Meßverfahren wird durch die Positionierung der Kamera zum Kontrollraum festgelegt. Von der Kamera wird nur das Licht erfaßt, dessen Strahlen im Brennpunkt des Kameraobjektivs konvergieren. Ein paralleler Strahlengang im Kontrollraum ließe sich nur bei unendlicher Entfernung der Kamera zum Kontrollraum einstellen. The beam path in the measuring process is determined by the Positioning of the camera to the control room determined. The camera only detects the light, its rays converge at the focal point of the camera lens. A parallel beam path in the control room could only be at infinite distance from the camera to the control room to adjust.  

Bei endlichen Entfernungen zwischen Kontrollraum und Kamera ergeben sich auf diese Weise Teilvolumina des Kontrollraumes, die sich einer Beobachtung entziehen. Um diese nicht beobachtbaren Volumina und die durch sie entstehenden Fehler möglichst gering zu halten, wurde die Kameraposition folgendermaßen optimiert:At finite distances between control room and This results in partial volumes of the camera Control room that eludes observation. Around these unobservable volumes and those through them to keep the resulting errors as low as possible Camera position optimized as follows:

Der Abstand zum Kontrollraum wurde maximiert. Die Räumlichkeiten des Labors ermöglichten einen Abstand von 6 m zum Kontrollraum. Der gesamte Aufbau benötigt somit eine Raumtiefe von etwa 9 m. In vertikaler Richtung wurde die Position der Kamera auf die Höhe des Kontrollraumbodens ausgerichtet. Die Vergrößerung des oberen nicht beobachtbaren Kontrollraumvolumens kann zugunsten einer vollständigen Beobachtbarkeit in Bodennähe in Kauf genommen werden. Die endgültige Anordnung der Komponenten ist in Fig. 9 in Seitenansicht skizziert. Auch hier wurden wieder die gleichen Bezugszeichen wie bereits in Fig. 1 verwendet. Die Bestimmung des Konzentrationskennfeldes der Partikelemission (Staubemission) erfolgt mit einem Computer, in dem die analog aufgezeichneten Werte der Lichtintensität I(x, y, t) digitalisiert zur Weiterverarbeitung vorliegen. Die örtliche Auflösung in horizontaler Richtung wird dabei durch die Anzahl der Bildpixel der Kamera bestimmt (582 Spalten), in vertikaler Richtung durch das Aufzeichnungsverfahren (420 Linien). Die zeitliche Auflösung beträgt entsprechend dem Videoformat 25 Halbbilder pro Sekunde (alternierende Aktualisierung jeder zweiten Bildzeile).The distance to the control room was maximized. The laboratory premises allowed a distance of 6 m to the control room. The entire structure thus requires a room depth of approximately 9 m. In the vertical direction, the position of the camera was aligned with the height of the control room floor. The increase in the upper unobservable control room volume can be accepted in favor of complete observability near the ground. The final arrangement of the components is sketched in a side view in FIG. 9. Here, too, the same reference numerals have been used as in FIG. 1. The determination of the concentration map of the particle emission (dust emission) is carried out with a computer in which the analog recorded values of the light intensity I (x, y, t) are digitized for further processing. The local resolution in the horizontal direction is determined by the number of image pixels of the camera (582 columns), in the vertical direction by the recording method (420 lines). According to the video format, the temporal resolution is 25 fields per second (alternating update of every second image line).

Fig. 5 zeigt eine mit dem System erfaßte Bildfolge eines Greiferabwurfs. Zu sehen ist hierbei die gemessene Intensitätsverteilung I(x, y) zu verschiedenen Zeitpunkten nach Öffnung des Greifers (t = 0,0 s). Aus dieser zeitabhängigen Messung wird die mittlere Staubkonzentration c(x, y, t) über die Kontrollraumtiefe D gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz nachfolgender Gleichung ermittelt:
 Fig. 5 is a sensed image sequence with the system displays a gripper shedding. Here you can see the measured intensity distribution I (x, y) at different times after opening the gripper (t = 0.0 s). From this time-dependent measurement, the average dust concentration c (x, y, t) is determined over the control room depth D in accordance with Lambert-Beer law using the following equation:

Darin bedeuten:
ε: Extinktionskoeffizient des Versuchsstaubes
d: Kontrollraumtiefe
I: Lichtintensität bei zu bestimmender Staubkonzentration
I0: Lichtintensität bei Staubkonzentration c = 0.Where:
ε: extinction coefficient of the test dust
d: control room depth
I: Light intensity with dust concentration to be determined
I 0 : light intensity at dust concentration c = 0.

Der Extinktionskoeffizient ist eine stoffspezifische Größe, die mit Kalibriermessungen bestimmt werden muß. Die Kontrollraumtiefe beträgt beim verwendeten Meßaufbau 1,25 m. Der gemessene Verlauf der Lichtstärke der zu bestimmenden Staubkonzentrationen liegt in Form von digitalisierten Bildsequenzen vor. Die Lichtintensität bei einer Staubkonzentration von 0 im Kontrollraum ist nur vor und nach Durchführung der einzelnen Versuche meßtechnisch erfaßbar. Aufgrund von Staubablagerungen an den Kontrollraumwänden kann die gemessene Lichtintensität nach Versuchsende geringer als bei Versuchsanfang mit sauberen Wänden sein. Der zeitliche Verlauf der Grundlichtstärke I0 zwischen diesen Werten kann interpoliert werden. Aus Gleichung 3 kann das Konzentrationsfeld c(x, y) für jeden Zeitpunkt des Greiferabwurfs bestimmt werden. Aus Abb. 5 ist zu erkennen, daß das Konzentrationsfeld die höchsten Staubkonzentrationen im mittleren Bereich des Kontrollraums in Bodennähe aufweist. Zu den Seiten hin nimmt die Konzentration ab. Durch Mittelung über die Kontrollraumbreite ergibt sich die Staubkonzentration c(h, t) als Funktion der Höhe h(= y) über dem Boden und der Zeit t. The extinction coefficient is a substance-specific quantity that must be determined using calibration measurements. The depth of the control room is 1.25 m with the measuring setup used. The measured curve of the light intensity of the dust concentrations to be determined is available in the form of digitized image sequences. The light intensity at a dust concentration of 0 in the control room can only be measured before and after the individual tests. Due to dust deposits on the control room walls, the measured light intensity after the end of the test may be lower than at the start of the test with clean walls. The time course of the basic light intensity I 0 between these values can be interpolated. From equation 3, the concentration field c (x, y) can be determined for each time the gripper is dropped. From Fig. 5 it can be seen that the concentration field has the highest dust concentrations in the central area of the control room near the floor. Concentration decreases towards the sides. Averaging over the width of the control room gives the dust concentration c (h, t) as a function of the height h (= y) above the floor and the time t.

Die Integration über die Kontrollraumhöhe stellt den nächsten Verdichtungsschritt dar. Diese Integration liefert den zeitlichen Verlauf der emittierten Staubmenge mschweb(t):
The integration above the control room height represents the next compression step . This integration provides the time course of the emitted dust quantity m hover (t):

mschweb (t) = ∫c(y, t)dy (Gl. 4)
m floating (t) = ∫c (y, t) dy (Eq. 4)

Der so ermittelte zeitliche Verlauf der emittierten Staubmasse ist in Fig. 6 dargestellt. Aus diesem lassen sich Emissionskennzahlen zur Charakterisierung der vermessenen Quelle ableiten.The time course of the emitted dust mass determined in this way is shown in FIG. 6. From this, emission indicators can be derived to characterize the measured source.

Zur Bestimmung der Staubkonzentration nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz ist die Kenntnis des Extinktionskoeffizienten des jeweiligen Schüttgutes notwendig. Dieser kann experimentell bestimmt werden. Hierzu wird in ein bekanntes Kontrollvolumen eine abgewogene Menge Schüttgut eingebracht, durch eine erzwungene Strömung im Schwebezustand gehalten, und die Lichtschwächung gemessen. Somit sind die Konzentration c, die Schichttiefe d und die Lichtschwächung I/I0 bekannt, und der Extinktionskoeffizient E kann aus dem Lambert Beer'schen Gesetz (vgl. Gleichung 1) berechnet werden.To determine the dust concentration according to Lambert-Beer law, knowledge of the extinction coefficient of the respective bulk material is necessary. This can be determined experimentally. For this purpose, a weighed quantity of bulk material is introduced into a known control volume, kept in suspension by a forced flow, and the light attenuation is measured. The concentration c, the layer depth d and the light attenuation I / I 0 are thus known, and the extinction coefficient E can be calculated from Lambert Beer's law (cf. equation 1).

Als Kontrollraum für die Kalibriermessungen wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Glaskasten mit den Abmessungen 1,0 m×0,5 m×0,4 m verwendet. Um die eingewogene Staubmenge in den Schwebezustand zu versetzen, wird ein Kühlerlüfter aus dem Pkw-Bau verwendet (vierblättriges Flügelrad, Außendurchmesser 280 mm, Leistung 100 W). Zur Vermeidung von Ablagerungen des Staubes in den unteren Kontrollraumecken werden zwei Wände im Winkel von 250 zum Lot eingesetzt. Mit dieser Anordnung können je nach Schüttgut Schwebstaubkonzentrationen von bis zu 250 g/m3 erzeugt werden. In the present exemplary embodiment, a glass box with the dimensions 1.0 m × 0.5 m × 0.4 m is used as the control room for the calibration measurements. To put the weighed-in amount of dust in the floating state, a radiator fan from the car construction is used (four-bladed impeller, outer diameter 280 mm, power 100 W). To avoid the build-up of dust in the lower corners of the control room, two walls at an angle of 250 to the plumb are used. With this arrangement, depending on the bulk material, suspended dust concentrations of up to 250 g / m 3 can be generated.

Die Homogenität der erzeugten Schwebstaubkonzentrationen als Standardabweichung vom Mittelwert beträgt etwa 20%. Da die Extinktionskoeffizienten durch Vergleich der eingestellten Konzentrationen mit der über den gesamten Kontrollraum gemittelten Lichtschwächung bestimmt wird, ist die Homogenität für diesen Zweck ausreichend. Fig. 9 zeigt die in diesem Fall ermittelte Kalibrierkurve für Steinkohle. Der Extinktionskoeffizient für die verwendete Steinkohle ergibt sich hieraus zu 4,72 m2/kg.The homogeneity of the particulate matter concentrations generated as a standard deviation from the mean is approximately 20%. Since the extinction coefficient is determined by comparing the set concentrations with the light attenuation averaged over the entire control room, the homogeneity is sufficient for this purpose. Fig. 9 shows the calibration curve determined in this case for coal. The extinction coefficient for the hard coal used is 4.72 m 2 / kg.

Das entwickelte Meßverfahren ist in der Lage, das Konzentrationsfeld der Staubemission bei Schüttgutumschlägen sowohl zeitlich als auch örtlich hochauflösend zu erfassen. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um die Staubemission bei Schüttgutumschlägen Abhängigkeit von ihren Einflußgrößen detailliert zu untersuchen.The developed measuring method is able to Concentration field of dust emission at Bulk goods handling both in terms of time and location to be recorded in high resolution. This is the prerequisite created to reduce dust emissions from bulk handling Depends on their influencing factors in detail examine.

Mit dem vorgestellten Meßaufbau besteht erstmalig die Möglichkeit, Staubemissionen beim Schüttgutumschlag direkt zu messen. Die Bestimmung von Emissionskennwerten, die bisher über indirekte, langwierige und ungenaue Immissionsmessungen durchgeführt wurde, kann mit diesem Verfahren erheblich vereinfacht und verbessert werden. Prinzipbedingt ist das Verfahren nicht in der Lage, in der Tiefe des Kontrollraums aufzulösen. Die gemessenen Konzentrationen stellen somit Mittelwerte über die Kontrollraumtiefe dar.With the presented measurement setup there is the first time Possibility of dust emissions when handling bulk goods measure directly. The determination of emission parameters, the so far about indirect, lengthy and inaccurate Immission measurements can be carried out with this Procedures are significantly simplified and improved. In principle, the method is not able to the depth of the control room. The measured Concentrations are thus averages over the Depth of control room.

Der relative Meßfehler der Staubkonzentration ist abhängig von der Höhe der zu bestimmenden Konzentration und liegt im anwendungsrelevanten Konzentrationsbereich typisch bei 2%.The relative measurement error of the dust concentration is depending on the level of the concentration to be determined and lies in the application-relevant concentration range typically at 2%.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erfassung der Partikelemission einer diffusen Quelle mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Bereitstellen eines ausgeleuchteten Hintergrundes auf einer Seite einer Meßanordnung;
  • - Bereitstellen einer Detektionseinrichtung auf der gegenüberliegenden Seite der Meßanordnung mit einer Beobachtungsrichtung in Richtung des Hintergrundes, wobei die Detektionseinrichtung so ausgestaltet ist, daß sie die unter einem vorgebbaren Raumwinkel in Beobachtungsrichtung einfallende Lichtintensität I(x,y,t) in einer Ebene senkrecht zur Beobachtungsrichtung orts- und zeitaufgelöst messen kann;
  • - Anordnung der diffusen Quelle zwischen dem Hintergrund und der Detektionseinrichtung;
  • - orts- und zeitaufgelöste Messung der Lichtintensität I(x,y,t) während der Partikelemission der diffusen Quelle; und
  • - Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Konzentrationskennfeldes der Partikelemission aus den Daten der gemessenen Lichtintensität I(x,y,t).
1. Method for recording the particle emission from a diffuse source with the following method steps:
  • - Providing an illuminated background on one side of a measuring arrangement;
  • - Providing a detection device on the opposite side of the measuring arrangement with an observation direction in the direction of the background, the detection device being designed in such a way that it detects the light intensity I (x, y, t) incident at a predeterminable solid angle in the observation direction in a plane perpendicular to the observation direction can measure location and time resolved;
  • - arrangement of the diffuse source between the background and the detection device;
  • - Location- and time-resolved measurement of the light intensity I (x, y, t) during the particle emission of the diffuse source; and
  • - Determination of the time course of the concentration map of the particle emission from the data of the measured light intensity I (x, y, t).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektionseinrichtung eine CCD-Kamera eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that as a detection device a CCD camera is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Lichtintensität I(x,y,t) zur späteren Weiterverarbeitung digital oder analog aufgezeichnet oder in Echtzeit verarbeitet wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized that the measured light intensity I (x, y, t) for later processing digital or recorded analog or processed in real time becomes.   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Konzentrationskennfeldes der Partikelemission zu jedem Meßpunkt der gemessenen Lichtintensität I(x,y,t) über das Lambert-Beer'sche Gesetz eine Partikelkonzentration c(x,y,t) berechnet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that to determine the temporal Course of the concentration map of the Particle emission at every measuring point of the measured Light intensity I (x, y, t) over the Lambert-Beer'sche Law calculates a particle concentration c (x, y, t) becomes. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der emittierten Partikelmenge m(t) durch Integration des Konzentrationskennfeldes c(x,y,t) über die Ebene senkrecht zur Beobachtungsrichtung bestimmt wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the temporal course of the emitted Particle quantity m (t) by integrating the Concentration map c (x, y, t) over the level is determined perpendicular to the direction of observation. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitlichen Verlauf der emittierten Partikelmenge m(t) Emissionskennzahlen zur Charakterisierung der untersuchten Quelle abgeleitet werden.6. The method according to claim 5, characterized in that from the time history of the emitted Particle quantity m (t) emission indicators for Characterization of the investigated source derived become. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bereitstellen des ausgeleuchteten Hintergrundes umfaßt:
  • - Anordnung einer Leinwand; und
  • - gleichmäßiges Ausleuchten der Leinwand.
7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the provision of the illuminated background comprises:
  • - arrangement of a canvas; and
  • - even illumination of the screen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hintergrund und der Detektionseinrichtung ein Kontrollraum angeordnet wird, der in Beobachtungsrichtung transparente Fenster aufweist und die diffuse Quelle umschließt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized in that between the background and the Detection device arranged a control room becomes transparent in the direction of observation Has windows and encloses the diffuse source. 9. Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorangehenden Ansprüchen mit:
  • - einem ausgeleuchteten Hintergrund auf einer Seite der Meßanordnung;
  • - einer Detektionseinrichtung auf der gegenüberliegenden Seite der Meßanordnung mit einer Beobachtungsrichtung in Richtung des Hintergrundes, wobei die Detektionseinrichtung so ausgestaltet ist, daß sie die unter einem vorgebbaren Raumwinkel in Beobachtungsrichtung einfallende Lichtintensität I(x,y,t) in einer Ebene senkrecht zur Beobachtungsrichtung orts- und zeitaufgelöst messen kann;
  • - einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Konzentrationskennfeldes der Partikelemission aus den Daten der gemessenen Lichtintensität I(x,y,t).
9. Measuring arrangement for performing the method according to the preceding claims with:
  • an illuminated background on one side of the measuring arrangement;
  • - A detection device on the opposite side of the measuring arrangement with an observation direction in the direction of the background, the detection device being designed such that it locates the light intensity I (x, y, t) incident at a predeterminable solid angle in the observation direction in a plane perpendicular to the observation direction - and measure time-resolved;
  • - An evaluation device for determining the time course of the concentration map of the particle emission from the data of the measured light intensity I (x, y, t).
10. Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hintergrund eine Leinwand ist, die mit künstlichen Lichtquellen gleichmäßig ausgeleuchtet wird.10. Measuring arrangement according to claim 9, characterized in that the background is a canvas that with artificial light sources evenly illuminated becomes. 11. Meßanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hintergrund und der Detektionseinrichtung ein Kontrollraum vorgesehen ist, der in Beobachtungsrichtung transparente Fenster aufweist und der die diffuse Quelle aufnehmen kann.11. Measuring arrangement according to claim 9 or 10, characterized characterized in that between the background and the Detection device provided a control room is the window that is transparent in the direction of observation and which can absorb the diffuse source. 12. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinrichtung eine CCD-Kamera ist.12. Measuring arrangement according to one of claims 9 to 11, characterized in that the detection device is a CCD camera.
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US4475816A (en) * 1980-02-15 1984-10-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method for determining in situ the absorption coefficient of particulate media using pulsed laser technique
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