DE2011733A1

DE2011733A1 -

Info

Publication number: DE2011733A1
Application number: DE19702011733
Authority: DE
Priority date: 1969-03-13
Filing date: 1970-03-12
Publication date: 1970-10-15
Also published as: CA935661A; GB1276977A; FR2036476A5

Description

PATENTAMWALT ΐ'ί

Dr, DlFFcR LOUIS .

10 846

Erederic GUIGEES, .ΑΙΧ-ΕΝ-ΡΚΘ VEFGE (Frankreich;) Marcel PILLAEiDj, JIAKSEILLE C

EimricJairung zur Bssifciinmung äer keit eliies ©ases»

Die Erfindung "betrifft eine Eiurieiitiing simr Bestimmung äer Lichtdurchlässigkeit eines feilehen in Suspension tragenden Gases mit einer Lichtquelle konstanter Imlfcsnsitat und einem dieser Lichtquelle zugeordneten fotoelektrischen Empfänger. , ' , ' '

Einrichtungen dieser Art dienen ebenso wie diejenige gemäss der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit von Verbrennungsrauchgasen zu dem Zweck, entweder ein Anzeige- oder Registriergerät zu steuern, beispielsweise eine Alarmanlage zu betätigen, oder auf eine automatische Anordnung zu wirken, die die Verbrennungsparameter entsprechend regelt. Es sind Einrichtungen zur Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit von Verbrennungsraucügaeen bekannt, die in einer Kanalführung strömen. Diese Einrichtungen beetehen im

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- 2 wesentlichen aus einem sogenannten Trübungsmesser (Opacimeter),

der eine Lichtquelle konstanter Intensiiät enthält, die an einer Seite der Rauchgasführung angeordnet ist und mit einem lichtempfindlichen Empfänger, beispielsweise einer Fotozelle, zusammenwirkt, die an der gegenüberliegenden Seite der Rauchgasführung liegt. Die Fotozelle nimmt das einfallende Licht auf, das durch die in Suspension im Rauchgas befindlichen Partikel nicht zurückgehalten worden ist. Bei Einrichtungen dieser Art nimmt die in den fotoelektrischen Empfänger gelangende Lichtenergie ein Maximum an, wenn das Rauchgas vollkommen durchlässig ist, erreicht dagegen ein Minimum, wenn das Rauchgas Iieil tundurchlässig ist. Diese Einrichtungen besitzen jedoch gewisse .Nachteile. Diese bestehen z.B. darin, dass die Lichtquelle und der fotoelektrische Empfänger sehr genau einander gegenüberliegend in der Rauchgasführung ausgerichtet sein müssen. Aufgrund der unvermeidlichen Verschiebungen und Wärmedehnungen stellen sich jedoch stets Fehlausrichtungen ein, die die von dem fotoelektrischen Empfänger aufgenommene Lichtmenge merklich verändern und aus diesem Grunde die hessungen verfälschen. Ausserdem sind die Abmessungen der Rauchgasführungen und Schornsteine, in denen diese Einrichtungen angeordnet werden, von Ort zu Ort unterschiedlich. Daraus folgt, dass in jedem Einzelfall die Einrichtung auf den Abstand zwischen der Lichtquelle und'dem Empfänger geeicht werden muss. Der Hauptnachteil dieser bekannten Einrichtungen besteht jedoch darin, dass sie eine Lichtmenge aufnehmen, die mit

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zunehmender Trübe des Rauchgases abnimmt. Daraus resultiert,, dass die Empfindlichkeit dieser Einrichtungen sehr gering; is:t_r wenn die Rauchgase nahezu durchlässig sind, weil dann die dem fotoelektrischen Empfänger erreichende Lichtmenge nahe ihrem Maximum liegt und Veränderungen in diesem Bereich aufgrund einer Änderung der Lichtdurchlässigkeit sich lediglich schwach! bemerkbar machen.

Zur Kennzeichnung der Trübe oder Lichdurchlässigkeit von Rauchgasen wird eine Werteskalaverwendet, die unter der Bezeichnung "Bacharach-Index" bekannt ist und Werte von 0 bis 9 aufweist. So sind z.B. Rauchgase mit einem Bacharach-Index unter b praktisch unsichtbar. Die Bestimmungen über die Rauchgasbelästigung verlangen allgemein, dass die Rauchgase eine to-tale Durchsichtigkeit aufweisen. Daraus folgt, dass eine Einrichtung zur Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit von'Rauchgasen im allgemeinen zur Messung unsichtbarer Rauchgase verwendet werden muss, die einen Bacharach-Index von unter 5 aufweisen. Die Einrichtung muss-demzufolge in diesem Bereich ihre maximale Empfindlichkeit besitzen. Hierzu sind, jedoch die bekannten vorhandenen Trübungsmesser nahezu unbrauchbar,.da sie in Bereichen des Bacharach-Indexes unter 2 nahezu keine Empfindlichkeit mehr zeigen.

Davon ausgehend ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit oder Durchsichtigkeit von Gasen, insbesondere Verbrennungs-

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rauchgasen vorzusehlagen,, deren Empfindlichkeit im Bereich" aeJar* leichter Trübungen e?in Maximum aufweist. Erfindungsganäsffi wird dieae jüifg&be durcii eine Einrichtung d?r eingangs gges cii fi Ti dertera Sattung gelöst, bei der dLer foto elektrische ihrpfmEger sgp angeOi?diiet ist,= ä&sa er ein durch die in Suspension. IreflndlichieB. T-eilchen reflektiertes Licntbündel €aoEpfäagt_fc Bie Achs© des reflektieret en Lichtbündelß kann Bit derjenigen dea eingestrahlten Mehtbünctels einen Winkel Kwiachen 0 und nahe 180° einechliessen.

Der fotoelektrische Empfänger kann von jeder bekannten Art' sein, beispielsweise eine fotoelektrische Zelle oder ein Fotowiderstand."

Gemäss der vorstehenden Definition besteht das Wesen der vorliegenden Erfindung darin, dass der fotoelektrische Empfänger nicht das durchtretende, sondern das reflektierte Licht aufnimmt. Wenn die Einrichtung dazu verwendet wird, die Durchsichtigkeit eines Verbrennungsrauchgases in einem niedrigen Bereich des Bacharach-Index zu bestimmen, ist auch die reflektierte Lichtmenge sehr gering. Daraus resultiert, dass die Empfindlichkeit der Einrichtung sehr gross ist. !Tatsächlich ist nämlich die Intensität χ des durch den fotoelektrischen Empfänger erzeugten Schwachstromes gering, wenn die Trübung y des Rauohgases schwach ist. Wenn diese Trübung des R_auchgases eine Änderung dy erfährt, ändert sich der Schwachstrom um einen Betrag dx. Das Verhältnis

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- 5 ~ ■■' .

kennzeichnet die Empfindlichkeit der Einrichtung. Verhältnis ist aber umso grosser, je kleiner je ist , tUb. je kleiner die reflektierte Lichtmenge ist.;

Ein spezieller Anwendungszweek der erf indmmgsgemljssen. Einrichtung ist die Bestimmung §>er LichtdurcihllassifgkeiV yj0.n Verfcremüngsrauchgasen» Bei dieser .Aiiweaidtaiig simd dter Sender und der Empfänger auf demselben' !Träger angeordnet* -ü^fer in einer Wandung, beispielsweise der KaminWaiadung, der Rauchgasführung befestigt ist. Um den fotoelektrischen Empfänger und die.Lichtquelle dem Temperatureinfluss der Wandung zu entziehen, sind beide gemäss eiiem weiteren Kennzeichen der. vorliegenden Erfindung in einem bestimmten . Abstand von der Wand angeordnet, mit der sie Über Faseroptiken verbunden sind. Solche Faseroptiken, die eine' Totalreflexion aufweisen, sind beispielsweise Glasfasern, die das Licht auf einem Wege führen, der beliebig kurvenförmig oder gekrümmt sein kann. ■".■'■

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieis anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen.

Es zeigen?

!figuren 1 und 2 Diagrammdaratellungen für den Verlauf des im

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fotoelektrischen Empfänger erzeugten Schwachstromes und der Empfindlichkeit der Einrichtung in Abhängigkeit von der Trübung des zu messenden Gases;

Figur 3 schematisch eine erfindungsgemässe Einrichtung an der Wandung eines kreisförmigen Schornsteines und

Figur 4 einen Querschnitt durch einen mit einer erfindungsgeraässen Einrichtung versehenen Schornstein.

G-emäss der Darstellung in den Figuren 1 und 2 ist auf der Abszisse des Koordinatensystems die !trübung y und auf der Ordinate die Lichtintensität χ aufgetragen, die durch den fotoelektrischen Empfänger aufgenommen wird. Der von dem Fotoempfänger erzeugte Schwachstrom ist im wesentlichen proportional zu x. Dabei zeigt dieFigur 1 den Kurvenverlauf in dem bekannten Fall, in dem der Fotoempfänger der Lichtquelle gegenüber angeordnet ist und unmittelbar das durch die in Suspension befindlichen Teilchen nicht aufgehaltene, einfallende Licht aufnimmt. In diesem Fall weist die von dem Fotoempfänger aufgenommene Lichtmenge χ dann ein Maximum auf, wenn die Trübung y gegen 0 geht und nimmt mit wachsendem y ab. In der gleichen Darstellung ist die Kurve aufgetragen, welche die Veränderung des Verhältnisses dx , nämlich die Empfindlich-

x
keit der Einrichtung, darstellt. Dieses Verhältnis gßht füry=

0 und steigt mit zunehmender Trübung y an. Diese Darstellung zeigt somit, dass die Empfindlichkeit der Einrichtung für niedrige Werte von y sehr gering ist.

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Dies sind aber gerade diejenigen Werte, die in der Praxis; bei der Bestimmung der !trübung von Yerbrennungsrauchgaseti in der Regel angetroffen werden« .

Die Figur 2 zeigt den Kurvenverlauf für den Fall, dass eine erfindungsgemässe Einrichtung verwendet wird· Darin ist zu erkennen, dass die reflektierte .Lichtmenge x, die von dem Po to empfänger aufeenommen wird, Null ist, wenn die ., Trübung y des Gases ebenfalls Null ist und dass sie mit zunehmendem y ebenfalls steigt. Das Verhältnis ^ beträgt ein Maximum, wenn y gegen Null geht und es. nimmt progressiv mit steigendem y ab. Im Falle von Verbrennungsrauchgasenj deren Trübung nur schwach bleiben darf, arbeitet demzufolge die erfindungsgemässe Einrichtung in einem Bereich erheblich angehobener Empfindlichkeit.

Die Figur 3 zeigt eine kreisförmig ausgebildete Wandung' eines Schornsteines, in dem Verbrennungsrauchgase mit darin suspendierten Festteilchen strömen. Ein Lichtbündel 1 wird in das Innere des Schornsteines durch einen Lichtsender 2 ausgestrahlt. Ein Empfänger 3 nimmt die durch die in Suspension befindlichen Festteilchen reflektierten Lichtstrahlen in einem Bündel 4 auf. Der kariert-schraffierte Bereich ü> kennzeichnet die Überschneidung der beiden Lichtbündel. Mit ist der Winkel bezeichnet, den die Achsen der beiden Liehtbündel miteinander einschliessen.Dieser Winkel kann beispielsweiee in der Grössenprdnung^ von 4-5° liegen, wie dies

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auch in der Zeichnung dargestellt ist. Er kann jedoch auch andere Werte zwischen 0 und nahe 180° annehmen.

Der Empfänger 3 kann in der Nähe des Senders 2 angeordnet werden, so dasB die Achsen der beiden Lichtbündel parallel verlaufen. Man kann in gleicher Weise den Sender 2 und den Empfänger 3 jedoch auch zueinander konzentrisch anordnen.

Die Lichtquelle von konstanter lichtintensität kann von jeder bekannten Art sein. Beispielsweise kann eine mit Reflektor versehene elektrische Lampe Verwendung finden, die durch eine stabilisierte Spannung gespeist ist. Der fotoelektrische Empfänger 3 kann ebenfalls von jeder bekannten Art sein, beispielsweise ein Fotowiderstand oder eine fotoelektrische Zelle. Der durch den Empfänger 3 abgegebene Schwachstrom wird verstärkt, wenn er zur Steuerung eine Anzeige- oder Registriergerätes dienen soll. Der verstärkte Strom kann gleichzeitig einer Alarmeinrichtung zugeführt werden, die dann in Tätigkeit ist, wenn die Trübung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. In gleicher Weise kann jedoch die Einrichtung auch auf ein Relais wirken, durch das ein Servomotor betätigt wird, der die Verbrennung, z.B. über die öffnung einer Luftzuführung, steuert. Darüberhinaus kann der von der Einrichtung abgegebene Strom für jede andere Art von Automation eingesetzt werden.

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Die Lichtquelle 2 und der Empfänger 5 Bind auf demselben Träger befestigt, der in die Wandung des Schornsteines eingelassen ist. Ihr gegenseitiger Abstand und ihre gegenseitige Ausrichtung sind konstant und unabhängig von den Abmessungen der Rauchgasführung, so dass dadurch eine Eichung der Einrichtung für jeden Einzelfall unnötig ist. Die Verschiebungen aufgrund von Wärmedehnungen des Trägers haben auf die Genauigkeit der Messung lediglich einen sehr geringen Einfluss, da der tiberscbneidungsbereich 5 der beiden Lichtbündel trotz solcher Verschiebungen stets ein weitgehend konstantes Volumen umschliesst,

Fm dem nachteiligen Einfluss der hohen Wandtemperatur der Rauchgasführung zu entgehen, sind die Lichtquelle 2 und der Empfänger 5 vorzugsweise in einem bestimmten Abstand von dieser Wandung in einem Gehäuse aufgenommen> das gleichzeitig die notwendigen elektronischen Schaltkreise enthält. Sie sind mit der Wandungder Rauchgasführung über eine Faseroptik der vorstehend bereits erläuterten Art verbünden.

Die Figur 4 zeigt in einem Querschnitt einen kreisförmigen Schornstein 6, in dem Rauchgase strömen, weiche Feet !teilchen 7 in Suspension enthalten. Au£ einem plattenförmigen Träger 8, der mit ?der Kaminwandung verschweisst ist, ist abnehmbar eine Platte 9 angeschraubt, auf der die Träger 10»'11 für den Lichtsender bzw. -empfänger befestigt sind* Jeder dieser

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Träger besteht im wesentlichen aus einem hohlen Hantel 12, in dessen zentraler Achse eine Faseroptik 13 nach hinten austretend verläuft, die im Inneren einer weichen Umhüllung H angeordnet 1st. In dem Mantel 12 ist eine Druckluftzuführung 15 vorgesehen. Sie erlaubt die Zuführung von Reinigungsluft in einen Ringspalt 16 zwischen dem Mantel 12 und der Faseroptik 13, um zu vermeiden, dass sich an den Enden der Fasern Russ absetzt. Die beiden Träger sind auf der Platte 9 derart befestigt, dass ihre Achsen miteinander einen bestimmten Winkel oC einschliessen, der zwischen O⁰ und einem nahe bei 180° liegenden Wert betragen kann. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt, dieser Winkel angenähert 90°. Die Lichtquelle eelbst und der Fotoempfänger sind in Figur 4 nicht dargestellt. Sie befinden sich in einem Gehäuse, zu dem die beiden Faseroptiken führen.

Um die Fehlereinflüsse auszuschalten, die auf Temperaturänderungen des Fotoempfängers zurückzuführen sind, lot dieser vorzugsweise mit einem identischen Empfänger gekoppelt, der jedoch nicht bestrahlt wird. Jeder der beiden Empfänger ist in einem Zweig einer Widerstandebrücke vom Typ einer Wheatstone¹sehen Brücke angeordnet und der verstärkte Strom 1st das Schwachstrom-Differential* das in der Brückeadiagonale fliesst.

In einer anderen Ausführungsform ist der Fotoempfänger

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in einem auf konstanter Teinperatur gehaltenen Kaum ange- ordnet, um auf Temperaturänderungen zurückzuführende Messfehlei aüBzuschliessen.

Die Anwendung der erfindungsgemässen Einrichtung für den vorstehend erläuterten Zweck, nämlich zur Bestimmung der Iiichtdurchlässigkeit von Verbrennungsrauchgasen, ist nicht ausschliessiich. Die erfindungsgemässe Einrichtung lässt sich vielmehr allgemein zur Bestimmung der Durchlässigkeit von Gasatmosphären verwenden, die durch in Suspension befindliche Pestkörper verunreinigt sein können. Die erfindungsgemässen Einrichtung kann ausserdem beispielsweise auf Fahrzeugen, wie Schiffen, Plugzeugen, Automobilen od. dgl. angeordnet sein, um die Lichtdurchlässigkeit von Nebel in der Atmosphäre zu bestimmen. Sie kann auch dazu dienen, die Entstehung von Bränden anzuzeigen.

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Claims

Patentansprüche

1./ Einrichtung zur Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit eines Teilchen in Suspension tragenden Gases mit einer Lichtquelle konstanter Intensität und einem dieser Lichtquelle zugeordneten fotoelektrischen Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass der fotoelektrische Empfänger so angeordnet ist, dass er ein durch die in Suspension befindlichen Teilchen reflektiertes Lichtbündel empfängt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des reflektierten Lichtbündels mit derjenigen des eingestrahlten Lichtbündels einen Winkel zwischen 0 und nahe 180° einschliesst.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen des reflektierten und des eingestrahlten Lichtbündels zueinander parallel verlaufen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen des eingestrahlten und des reflektierten Lichtbündels ineinander liegen.

5. Einrichtung, insbesondere zur Bestimmung der Licht-

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durchlässigkeit heisser Verbrennungsrauchgase in einer Rauchgasführung, nach einem der Ansprüche 1 bis 4» da-' durch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle und der foto-"... elektrische Empfänger in einem Abstand von der heissen Wandung der Rauchgasführung angeordnet sind und über Faseroptiken (13) in entsprechenden Trägern (10, 11), gegen das Innere der Rauchgasführung (6) weisend angeschlossen sind. . ■.■■*■

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (10, 11) für die Faseroptiken (13) an einem in. die Wandung der Rauchgasführung (6) eingelassenen Träger (8) so befestigt sind, dass ihre Achsen einen Winkel von 0 bis 180° miteinander einschliessen.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von durch Temperaturänderung bedingten Fehlern der Fotoempfänger mit einem identischen Kompensations-Empfänger gekoppelt ist, der derselben Temperatur ausgesabzt, jedoch unbestrahlt ist, und dass ^l jeder der beiden Empfänger in einen der Zweige einer Widerstandsbrücke geschaltet ist,

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet? dass zur Kompensation temperaturbedingter Messfehler dea? fotoelektrische Empfänger in einem auf konstanter femperatur gehaltenen Raum angeordnet ist»

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9t Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (10, 11) einen Anschluss (15) zur andauernden •Zuführung von Reinigungsluft aufweisen.

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