DE2106487C3

DE2106487C3 - Streulichtpartikelzähler

Info

Publication number: DE2106487C3
Application number: DE2106487A
Authority: DE
Inventors: John Norman Headington Oxford Chubb (Ver. Koenigreich)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1970-02-12
Filing date: 1971-02-11
Publication date: 1980-09-11
Also published as: US3692412A; DE2106487B2; GB1316752A; DE2106487A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei solchen Anordnungen ist die Intensität des gestreuten Lichtes ein Maß für die Anzahl der vorhandenen Partikeln.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die von einer Partikel rückgestreute Lichtmenge eine Funktion der Form der Partikel ist. Wenn somit die Partikeln veranlaßt werden, ihre Orientierung beim Passieren des Lichtstrahles zu ändern, dann wird sich die von den länglichen Partikeln reflektierte Lichtmenge ändern, während sich die von sphärischen Partikeln reflektierte Lichtmenge nicht ändert. So wird die Intensität des reflektierten Lichtes nur dann moduliert, wenn längliche Partikeln vorhanden sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der längliche Partikeln, wie beispielsweise Fasern oder Fäden, von sphärischen Partikeln oder solchen symmetrischen Partikeln zu unterscheiden sind, deren Erscheinen im wesentlichen von der Partikelorientierung unabhängig ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter-

ansprüchen angegeben.

Ein Ausfühningsbeispiel des Streulichtpartikelzählers gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die eine schematische perspektivische Ansicht der Anordnung wiedergibt.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist für eine kontinuierliche Analyse oder Überwachung des Gehaltes an suspendierten Fasern oder Fäden in Luft bestimmt, möglicherweise bei Vorhandensein von höheren Konzentrationen an relativ symmetrischen Partikeln. Das Gerät ist insbesondere zur Überwachung von in der Luft enthaltenen Asbestfasern in Fabrikoder Arbeitsplatz-Milieus anwendbar.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die als Probe zu nehmende Luft in der durch den Pfeil A angedeuteten Richtung in eine innere Führung 11 gezogen, welche die Luft in Richtung auf einen Prüfbereich 12 leitet. Eine äußere Führung 13, welche die innere Führung 11 umgibt, ist über eine Rohrleitung 14 mit einer Quelle für reine Luft verbunden. Reine Luft von dieser Quelle wird, wie durch Pfeil B angedeutet, in die äußere Führung 13 eingezogen und gelangt durch Strömungsrichter 15 hindurch, um einen Mantel von reiner Luft bei 16 zu bilden, welcher die zentrale Luftprobe 17 im Prüfbereich 12 umgibt. Von dort wird die ganze Luft nach einer Pumpe über ein Rohr 21 ausgestoßen, wie durch Pfeil C angedeutet.

Der Prüfbereich 12 wird bis auf eine ziemlich genau festgeiegte Tiefe durch eine Lichtquelle 18 und Linse

19 mit entsprechendem Öffnungsverschluß (nicht dargestellt) beleuchtet. Ein optischer Auffang 22 ist entgegengesetzt der Lichtquelle 18 vorgesehen, so daß störende Reflexionen von einer Hüle 23 vermieden werden.

Ein Fotoelektronen-Vervielfacher 24 befindet sich innerhalb der Hülle 23. Ein optisches System mit einer Linse 25 fokussiert auf den Fotovervielfacher 24 das Licht, welches von einer ziemlich genau bestimmten Fläche im beleuchteten Prüfbereich 12 zerstreut wird.

Dieses gestreute Licht wird gegen den dunklen Hintergrund beobachtet, der durch die Hülle 23 vorgesehen ist.

Durch Anordnung des Beleuchtungsstrahles so, daß er in der Tiefe in der Beobachtungsrichtung gut definiert ist, wird die Flächenkonzentration von Partikel-Abbildern am Fotovervielfältiger direkt in Beziehung zur Volumenkonzentration von Partikeln im Illuminationsbereich gesetzt. Alternativ kann dieser Zustand dadurch sichergestellt werden, daß die Tiefe

^r>" in Beobachtungsrichtung des als Probe genommenen Luftstromes innerhalb eines im wesentlichen gleichförmigen Beleuchtungsstrahles gut definiert wird. Das Vorsehen eines Reinluftmantels, gekoppelt mit sorgfältiger aerodynamischer Auslegung der Führungen 11 und 13, sorgt dafür, daß die Konzentration von Partikeln im Beobachtungsbereich derjenigen im äußeren, zu überprüfenden Bereich entspricht.

Um die Möglichkeit zu schaffen, Fasern oder Fäden von symmetrischen Partikeln zu unterscheiden, sind

bo Mittel zum Auferlegen eines oszillierenden oder rotierenden elektrostatischen Feldes vorgesehen, dessen Richtung bei diesem Ausführungsbeispiel parallel zu der Ebene gehalten wird, weiche die Achse der Beleuchtung und Beobachtung enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Mittel vier Elektroden 26, 27, 28, 29 auf, welche symmetrisch um den Prüfbereich 12 herum angeordnet sind, zusammen mit entsprechenden elektrischen Versorgungen.

Durch Anlegen eines entsprechenden Wechselpotentials an die vier Elektroden kann ein elektrostatisches Feld, das oszilliert oder rotiert, im Prüf bereich aufgebaut werden. Zum Beispiel können die sich diagonal gegenüberliegenden Elektroden 26, 28 jeweils mit den Enden der Sekundärwicklung eines Transformators mit geerdeter Mitteizapfung verbunden sein, der mit Wechselstrom von kontrollierter Frequenz betrieben wird.

Wenn die Elektroden 27, 29 in ähnlicher Weise, aber mit der Sekundärwicklungsspannung betrieben werden, welche so gesteuert ist, daß sie außer Phase zum Antrieb der Elektroden 26,28 liegt, dann scheint das elektrostatische Feld, welches durch Partikel im Prüfbereich angetroffen wird, zu rotieren.

Längliche Partikel, die mit diesem Feld rotieren, werden so beobachtet, als flimmerten sie, d. h. der Ausgang des Fotovervielfachers wird mit der Rotationsfrequenz des elektrostatischen Feldes moduliert.

Da, wie oben erwähnt, die Marimallänge eines länglichen Teilchens, welches einem oszillierenden oder rotierenden Feld folgt, in Beziehung zur Frequenz steht, schafft ein Durchlauf der Erregerfrequenz eine angenäherte Klassifizierung der Größenabmessungen einzelner Fasern innerhalb des Beieuchtungsstrahles. Somit liefert das Gerät die Erzeugung eines Histogramms für die Faser-Längen/ Konzentration-Verteilung zusätzlich zur gesamten Faserzählung innerhalb eines gegebenen Längenbereiches.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Beziehung zwischen Faserlänge und Geschwindigkeit de; Faserausrichtung bei einem angelegten elektrostatischen Feld durch die Gegenwart von einigen Fasern von unipolarer elektrostatischer Aufladung gestört wird.

Um dieses Problem zu umgehen, wird das konstante elektrostatische Feld zweckmäßig mit einem hochfrequenten elektrostatischen Feld ausgetauscht. Die Hochfrequenz muß die Wandergeschwindigkeit der Oberflächenladung an den Fasern (typischerweise K)"² bis 10^'see) überschreiten. Bei einer Anordnung wurde eine Frequenz von 700 Kilohertz verwendet, wobei die elektrostatische Feldstärke etwa 3,5 kVcm ' betrug. Eine höhere elektrostatische Feldstärke um 10 kVcm"¹ kann vorteilhaft verwendet werden, wie weiter unten gezeigt.

Die Oszillation oder Rotation (mit niederigerer Frequenz) der Orientierung des hochfrequenten Feldes bleibt wirksam, damit die länglichen Partikel das Bestreben haben, der sich ändernden Orientierung des hochfrequenten Feldes zu folgen. Auf diese Weise sorgt ein Durchlauf dieser niedrigeren Frequenz der Oszillation oder Rotation der Orientierung des hochfrequenten Feldes für eine angenäherte Klassifizierung der Größenabmessungen einzelner Fasern innerhalb des Beleuchtungsstrahles, wie oben erwähnt.

Die folgenden weiteren Beobachtungen in bezug auf Faserverhalten wurden gemacht:

a) Während Fasern mit größerem Durchmesser um die angelegte Feldrichtung oszillieren, ist die Dämpfung an Fasern mit kleinerem Durchmesser genügend stai«, uüi deren Verhalten aperiodisch zu machen.

b) Allgemein ausgedrückt, zeigen Fasern mit einem Durchmesser größer als etwa 2 Mikron bei einer Länge von 1 (K) Mikron und 0,3 Mikron bei einer Länge von 5 Mikron ein oszillatorisches Verhalten für eine Dielektrizitätskonstante um 7 und ein elektrisches Feld von 10 kVcm '. Unterhalb dieser Durchmesser ist das Verhalten effektiv aperiodisch /»dead beat«/. In der Praxis ist die Möglichkeit, ein oszillatorisches von einem aperiodischen Verhalten zu unterscheiden, von der Breite des Lichtstreumusters und der Öffnung der Sammeloptiken abhängig. Die Durchmesser, bei denen ein oszillatorisches Verhalten beobachtet wird, sind größer bei niedrigeren Feldern und niedrigeren Dielektrizitätskonstanten.

c) Für oszillatorisches Verhalten ändert sich die Schwingfrequenz umgekehrt mit der Faserlänge, ist unabhängig vom Faserdurchmesser und nimmt ungefähr zu wie das 3/2-Leistungsgesetz

is des Feldes.

d) Für aperiodisches Faserverhalten können ähnliche Zeit-gegen-Winkel-Beziehungen bei verschiedenen Längen-Durchmesser-Kombinationen erhalten werden, aber es ist kein Weg für die Trennung der Längen- und Durchmesserinformation an Fasern, die dieses Verhalten zeigen, bisher gefunden worden. Der Anteil von Fasern, die dieses Verhalten zeigen, mag in der Praxis klein sein und könnte noch kleiner gemacht werden, indem man mit hohen elektrischen Feldern arbeitet.

e) Die Zeitskala für Ausrichtung bei lOkVcm"' liegt im Bereich von etwa 2 10"⁵SeC bis 10"²sec.

In Anbetracht dieser Beobachtungen besteht eine bevorzugte Technik für das Erhalten von Faserabmessungen darin, das hochfrequente elektrostatische Feld zwischen den beiden Hauptrichtungen der Ausfluchtung als Quadrat- bzw. Rechteckwelle zu modu-

J5 Heren, vorgesehen durch das Vierpol-Elektrodensystem 26, 27, 28, 29.

Die Modulationsfrequenz sollte genügend niedrig für die längsten und dünnsten Fasern, die aller Wahrscheinlichkeit nach zu überwachen sind, sein, damit

4n diese innerhalb jedes Modulations-Halbzyklus genügend Zeit zur Ausrichtung haben. Die Modulationsfrequenz kann im Bereich von 100 Hertz bis 50 Kilohertz liegen und kann im typischen Fall 1000 Hertz für eine elektrische Feldstärke von K) kVcm ' betragen.

Zweckmäßig werden die Elektroden so angeordnet, daß in der einen der Orientierungsrichtungen des hochfrequenten elektrostatischen Feldes die ausgerichteten Fasern in dem Winkel für maximale Streuung des Beieuchtungs-Lichtstrahles in den Fotovervielfacher-Detektor hinein liegen.

Wenn das Signal eine Reihe von Maximalwerten zeigt, nachdem das elektrische Feld in die Richtung der maximalen Streuungsintensität geschaltet ist, so kann die Länge der Faser mit »oszillatorischem« Verhalten unter Verwendung von Digitaltechniken zur Messung der Oszillationsfrequenz gefunden werden. Wenn nur ein einziges Maximum beobachtet wird, dann gibt die Zeit, welche dieses braucht, um zu erscheinen und zu verschwinden, wenn die Feldrichtung geschaltet wird, eine gewisse Anzeige für das Seitenbildverhältnis der beobachteten »aperiodischen« Faser. Die Informations-Verarbeitungseinheit, die notwendig ist, um diese Fotovervielfältigersignale zn interpretieren, wird bedeutend komplizierter, wenn zwei oder mehr Fasern im Beobachtungsbereich zur gleichen Zeit vorhanden sind. Ein Weg, auf welchem dieses Problem vermindert werden kRnn. besteht

darin, das Beobachtungsvolumen in bezug auf die zu überwachende Faserkonzentration entsprechend klein zu halten.

Um eine Doppelzählung einzelner Fasern zu vermeiden, ist es notwendig, daß die Modulations-Zykluszeit nicht geringer ist als die Übergangszeit im Beobachtungsbereich. Dies kann überprüft und das Volumen der als Probe entnommenen Luft gemessen werden durch Beobachtung der Luftströmungs-Geschwindigkeit im Beobachtungsbereich. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß auf dem Haupt- oder einem Hilfs-Fotovervielfacher der Durchgang von Faser- oder Partikel-Abbildern durch ein codiertes Graufilterband beobachtet wird.

Um eine Verwechselung der aus dem Eintritt von is hellen Partikeln in das Beobachtungsfeld herrührenden Signale mit »aperiodischen« Fasern, die auf der Richtung der Maximalstreuung ausgerichtet werden, zu vermeiden, können Rampenfunktionsänderungen in der Beleuchtungsdichte oder dem Ermittlungs-Wirkungsgrad für diejenigen Bereiche der Beobachtungszone vorgesehen werden, wo Partikel und Fasern eintreten und austreten. Dies würde die maximale Signaländerungsgeschwindigkeit in diesem Bereich begrenzen.

Um scharfe Fotovervielfacherimpulse von flimmernden Abbildern zu erhalten, kann es nützlich sein, eine polarisierte Beleuchtung sowie Faseroptiken anstelle von herkömmlichen Linsenoptiken zu verwenden, um das gestreute Licht von einer dünnen Hülle jo bzw. Haut der konischen Streuungsoberfläche zu sammeln.

Es wird als möglich angesehen, Fasern von anderen Partikeln zu unterscheiden, die keine symmetrischen Partikel sind (wie hierin definiert), zum Beispiel von Plättchen, und zwar durch die unterschiedliche Form der erzeugten Lichtmodulation. So ist es wahrscheinlich, daß gestreutes Licht von in der Luft enthaltenen Partikeln in Plättchenform in einer ähnlichen Weise wie Fasern flimmern, aber das gestreute Licht ist auf die Rotationsebene beschränkt. Da das Streumuster für Fasern Richtungen oberhalb und unterhalb dieser Ebene einschließt, kann das Instrument für Fasern dadurch selektiv gemacht werden, daß Licht, welches in Winkeln dicht an der Rotationsebene des elektrischen Feldes gestreut wird, ausgeschlossen wird.

Das Gerät der vorliegenden Ausführuingsform ist für die Unterscheidung länglicher Partikel oder Fasern von symmetrischen Partikel geeignet, vorausgesetzt, die Faserlänge ist größer als die Wellenlänge des Lichtes, welches für die Beleuchtung des Prüfbereiches verwendet wird. Es macht jedoch nichts aus, wenn der Faserdurchmesser kleiner ist als die Licht-Wellenlänge.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels beschränkt. Das elektrostatische Feld kann auch durch elektromagnetische Wellen hervorgerufen werden, die im Prüfbereich durch Induktion oder durch Kopplung von einer Übertragungsleitung oder einem Wellenleiter bzw. Hohlleiter erzeugt werden. Die Ebene der Oszillation oder Rotation des elektrostatischen Feldes braucht nicht unbedingt parallel zu der Ebene zu liegen, weiche die Beleuchtungs- und Beobachtungsachsen enthält, weil Licht durch Partikel auch in anderen Richtungen gestreut wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Analysieren von in einem Strömungsmittel suspendierten Partikeln, mit einer Lichtquelle zum Beleuchten der Partikeln innerhalb eines Meßbereiches des Strömungsmittels sowie mit einem Fotodetektor zum Ermitteln des von den Partikeln gestreuten Lichtes, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (26, 27, 28, 29) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes wechselnder Orientierung im Meßbereich (12), dessen Feldstärke und Frequenz so gewählt sind, daß langgestreckte Teilchen dem Orientierungswechsel folgen können, sowie durch eine an den Fotodetektor (24) angeschlossene Einrichtung zum Ermitteln der sich mit der Frequenz des Orientierungswechsels ändernden Intensität des gestreuten Lichts.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel der Orientierung des elektrischen Feldes eine Oszillation oder Rotation in der Beobachtungsebene umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld ein hochfrequentes Feld ist, dessen Frequenz die Wandergeschwindigkeit von unipolaren elektrostatischen Aufladungen an den Partikeln überschreitet.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Orientierungswechsel veränderbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei diskontinuierlich veränderbarer Frequenz die Zeit meßbar ist, die die länglichen Partikeln zum Ausrichten nach jedem Orientierungswechsel des elektrischen Feldes brauchen.