DE2232521A1 - Verfahren, um aerosole in der luft oder in gasen zu entdecken, und geraet hierfuer - Google Patents

Description

• Verfahren, um Aerosole in der Luft oder in Gasen zu entdecken, und Gerät hierfür Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät, um auf optischem Wege das Vorhandensein von in der Luft oder in Gasen schwebenden Staub-, Ölnebel-, Rauchpartikeln oder anderen Partikeln, welche Partikeln sämtlich verschiedener Art von geringer Größe sind und Aerosole genannt werden, festzustellen oder ihre Konzentration zu überwachen Es ist bekannt, fur den genannten Zweck einen Lichtstrahl durch einen Luftstrom mit Aerosolteilchen hindurchzuschicken, die dabei eine Lichtstreuung verursachen, welche eine lichtempfindliche Zelle trifft, die ihrerseits mit einem Instrument verbunden ist, an welchem das Vorkommen von Aerosolteilchen und Variationen ihrer Konzentration abgelesen werden können.
• In vorbekannten Geräten sind die Beleuchtung der Aerosole in der Lichtstreuungskammer und die lichtempfindliche Zelle in-der Weise angeordnet, daß nur ein ziemlich kleines Aerosolvolumen in jedem Augenblick (gleichzeiti«u dem Streulicht beiträgt, das die lichtempfindliche Zelle trifft Der Lichtfluß ist proportional zur Anzahl der die Streuung bewirkenden Partikeln und zu der Intensität des einfallenden Lichtes. Wenn das Aerosolvolumen gering ist, d.b. die Anzahl der Partikeln klein, ist eine hohe Intensität des einfallenden Lichtes oder eine hohe Epfindlichkeit des Detektorsystems (Detektor + Verstärker) erforderlich, um sichere Messungen des Streulichtes zu ermUglichen, Eine hohe Lichtintensität der Beleuchtungslampe erfordert mit den bisher gewUhnlich benutzten Lampen (Gldhlampen) einen hohen Effekt (oft um 30 W), was den Batteriebetrieb ungeeignet macht.
• Die Erfindung hat zum Gegenstand ein Verfahren, um einen größeren Effekt der Lichtstreuung zum Vorteil einer zuverlässigen Ablesung der vorkommenden Aerosolmenge zu erhaltene Dies wird durch eine Vorrichtung erreicht, die die Aufnahme der Lichtstreuung von einem verhältnismäßig großen Aerosol~ volumen in einem breiten Winkelfeld bis zu ziemlich kleinen Streuungswinkeln ermöglicht, welch letzterer Umstand mit Rücksicht auf die Beziehung zwischen dem Streuungswinkel und der Intensität des Streulichte von Vorteil ist. Die Erfindung betrifft gleichwohl ein für die Ausführung des Verfahrens geeignetes Gerät, ein sogenanntes Aerosolfotometer, das einen nat einfachen Aufbau und geringen Kraftverbrauch/und handlich ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich für die vorerwähnten Zwecke dadurch aus, daß die Streuungskammer, durch welche der Luftstrom geleitet wird, länglich ist, daß der Lichtstrahl oder das Strahlenbündel durch die erwähnte Kammer in der Längsrichtung hindurchgeht und daß die Prüfluft ebenfalls durch die Streuungskammer geleitet wird, so daß die Partikeln in der Luft sich während des größten Teils des Durchgangs durch die Streuungskammer in dem Strahlenbündel befinden, wobei die Lichtstreuung während der ganzen Zeit erfolgt, in der die Partikeln sich in dem Strahlenbündel befinden. Die Luft oder die Gase und das Strahlenbundel werden außerdem gezwungen, eine und dieselbe Öffnung; zur Streuungskammer zu passieren und die Öffnungsfläche sowie die Querschnittsfläche des Strahlenbündels sind in der Hauptsache gleich groß Das für die Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung vorgesehene Gerät zeichnet sich dadurch aus, daß die Streuungskammer länglich ist, daß der Einlaß zur Streuungskammer und ihr Auslaß für den Durchgang der Luft oder der Gase in der Langsrichtung der erwähnten Kammer angeordnet sind und daß das StrahlenbÜndel die Streutingskammer in ihrer Längsrichtung passieren kann. Eine ausführlichere Ausführung des erfindungsgemäßen Gerätes ist in der folgenden Beschreibung und in den Patentansprüchen enthalten.
• Das Verfahren gemäß der Erfindung soll im folgenden bei der Erläuterung einzelner in den beigefügten Zeichnungen als Beispiel gezeigten Ausführungsformen näher beschrieben werden.
• Abb. 1 stellt einen Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes Gerät gemäß der Erfindung dar.
• Abb. 2 zeigt ein abgeändertes Teil eines Gerätes gemäß Abb, l.
• Abb. 3 stellt einen LEngsschnitt durch ein Gerät in einer anderen Aus.
• führung gemäß der Erfindung darP Abb. 4 Beigt schematisch ein Schaltbild.
• Gemäß Abb. 1 umfaßt das Gerät gemäß der Erfindung eine Röhre 1 mit offenen Enden und daselbst angeordneten Lichtschleusen 2 und 3, die den Durchgang von Luft oder Gasen ermöglichen, aber das Eindringen von Lichtstrahlen verhindern. Die Lichtschleusen 2,3 können aus anderen Mitteln ausgeführt sein als die Schi@@e, die schematisch in der Abbildung dargestellt sind. Die ganze Röhre 1 ist innen geschwärzt, so daß ihre Wände lichtabsortbierend sind? rund

  das gleiche gilt fUr die

  Icgenb c

  e5tegernl Teil der Röhre

  Lichtschleusen. Der wischen den Licht schleusen 1 bildet eine Lichtstreuungskammer 4.
• An einer Wand der Röhre 1 ist eine Lichtquelle 5 eingesetzt, z.B. eine Glühlampe von solcher Art, daß konstantes und konzentriertes Licht abgegeben wird. Die Lichtquelle 5 ist zur Mitte der Röhre 1 und zweckmäßiger weise auch nach den Seiten durch einen Schirm 6 abgeschirmt. Vor der Lichtquelle 5 sind ein paar Blenden 7 angebracht, Die Lampe ist an dem einen Ende der Streuungskammer anzubringen, die Ausgestaltung des Lampengehäuses, der Beleuchtungsoptik und der Lage im Verhältnis zu der Mittelachse der Streuungskammer kann -aber unter Berücksichtigung des vorgesehenen Anwendungsgebietes des Instrumentes und je nach den wirtschaftlichen Umständen verschieden ##### ausgeführt sein.
• In der zunächst der Lichtschleuse 3 befindlichen Wand der Röhre 1 befindet sich eine Öffnung 8 zu einer lichtempfindlichen Zelle 9, z.B. einer CdS-oder CdSe-Zelle mit Leitungsdrähten 10 zu einem nicht gezeigten, zweck~ mäßigerweise kalibrierten iDmd!=uunxt Meßinstrument. Uber der Öffnung g und um die Zelle 9 befindet sich eine dichtschließende Kappe 11 mit geschwärzter Innenseite, so daß keine Lichtreflexion von dort entsteht.
• Die Lichtquelle 5 und die Blenden 7 sind so eingestellt, daß der konzentrierte Lichtstrahl oder das Strahlenbündel 12 so nahe als möglich an die Licht aufnehmende Fläche der Fotozelle 9 fallen, ohne diese zu treffen.
• Die Funktion des Gerätes ist folgende + Es wird vorausgesetzt, daß die Lichtquelle 5 das Strahlenbündel 12 abgibt. Wenn dieses auf die Aerosolpartikeln in der Streuungskammer 4 der Röhre 1 trifft, wird das Licht gestreut, so daß die Fotozelle 9 von dem Licht getroffen wird1 und die sich ergebende Intensität des Lichtes kann an dem an die Zelle angeschlossenen Meßinstrument abgelesen werden. Die Streuungskammer 4 ist länglich und das Strahlenbündel 12 durchströmt die Kammer in ihrer Längsrichtung und somit über eine bedeutende Strecke der Luft - in der Kammer Dadurch wird eine große Anzahl der Aerosolpartikeln von dem Strahlenbündel getroffen, was einen größeren Lichteffekt auf die Fotozelle 9 zur Folge hat, so daß eine zuverlässigere Ablesung des Meßinstrumentes möglich ist.
• Der erforderliche Luftwechsel in der Streuungskammer 4 #### durch einen Luftstrom in der einen oder anderen Richtung kann auf verschiedene Weise erfolgen, z.B. kann die Röhre vertikal stehen, so daß ein Schornsteineffekt erzielt wird, oder sie kann in einem luftstrom angebracht sein oder kann von Hand mit dem einen oder anderen Ende vorwärts geftihrt werden, so daß Luft durch die Röhre gedrückt wird, oder können mechanische Mittel vorhanden sein, um laift durch das Rohr zu treiben.
• Die in Abb. 1 gezeigte Anordnung mit einer lichtempfindlichen Zelle 9 kann gemäß Abb, 2 abgewandelt werden. Hierbei wird die Röhre l'mit der ÖffnungB' versehen, die mit der Kappe 11' überdeckt ist. In dieser ist ein Lichtsammler 13 ########## in Form einer abgestumpften Pyramide oder eines Stumpfkegels angebracht, dessen Grundfläche zur Öffnung 8' und dessen Scheitelfläche zu einem Fotodetektor 14 hin gewendet ist. Der Lichtsammler kann aus einem homogenen Körper aus optisch klarem Material mit totalreflektierender Außenfläche bestehen oder hohl mit spiegelnden Innenwänden sein. Das in den Lichtsammler eindringende und durch diesen hindurchgehende Licht wird in der Richtung zur Zelle 14 kongentriert, an welche ein nicht dargestelltes Meßinstrument angeschlossen ist.
• In Abb. 1 und 2 ist nur eine lichtempfindliche Zelle 9 bzw. U gezeigt, es können aber mehrere mit oder ohne Licht sammler um die Peripherie der Röhre angebracht sein, wobei das Strahlenbündel zentral in der Streuungskammer liegen kann, Das Gerät gemäß Abb, 1 und 2 ist in seiner Ausführung einfache aber gleic wohl wirkungsvoll und besteht aus leichten Teilen, so daß es zur Probenahme an verschiedenen Stellen, wie im Freien, in Fabriksräumen oder anderen RSumlichkeiten, behändig mitgenommen werden. Es kann dabei besonders Vorteil haft als tragbarer Rauchgasdetektor verwendet werden. Es ist auch noch handgerecht, wenn ein Schreiber oder ein Registrierinstrument mit dem an die Zelle angeschlossenen Meßinstrument verbunden ist.
• -Abb. 3 zeigt eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Aerosolfotometers.
• In einem länglichen Körper 20 ist zentral eine Lichtquelle 21, z.B. eine Linsenglühlampe und ein Kondensorsytem 22, enthaltend eine nicht gezeigte Blende und eine Linse, die ein etwas konvergentes Strahlenbündel 23 in eine Streuungskammer 24 und zu einer Lichtfalle 25 in Form eines Zylinders mit Boden richtet. Die Streuungskammer 24 besteht aus ein paar verschieden großen Stumpfkegeln 24' und 24", die an ihrem Schmalende zusammenhämgen.
• Anden kleinen Kegel 24', in Abb0 3 der rechte, ist das Kondensorsystem 22 angeschlossen. Der Strahl durch die Streuungskammer ist konzentrisch um die gemeinsame Achse der beiden Kegel 24', 24', d.h. iim die Längsachse der Streuüngskammer 24. Das an der gemeinsamen Scheitelfläche der beiden Kegel entstandene Verbindungsloch 26 hat einen Durchmesser, der ebenso groß oder etwas großer ist als der Durchmesser des StrahlenbÜndels 23 an dieser Stelle.
• In den kleinen Kegel 24' mündet nahe dem Verbindungsloch 26 ein Einlaß-27 rohr/für die Prüfluft und von dem großen Kegel 24'', geht ein Auslaßrohr ab, das mit der Lichtfalle 25 zusammengebaut ist und mit einem Loch im Boden der Lichtfalle in Verbindung steht. Das Auslaßrohr 28 ist außerdem mit seitlich gerichteten, das Licht abschirmenden Löchern versehen, um die Aussaugung der Prüfluft zu erleichtern, die hinter die Lichtfalle 25 gekommen ist. Die Innenseite der Streuungskammer 24, die Lichtfalle 25 und die Rohre Z7, 28 sind sorgfältig geschwärzt. Die Streuungskammer kann even-Quell durchbrochene Seiten mit Lichtschirmen haben.
• Durch die beschriebene Ausführung der Streuungskammer und die Beleuchtung erhält man den Vorteil, daß das ganze Luftprüfvolumen beim Durchgang durch das Verbindungsloch 26 beleuchtet wird. Bei der weiteren Strömung der Luft durch den Kammerteil 24 liegt ferner das Strahlenbundel die ganze Zeit in dem Luftprüfvolumen, An die Streuungskammer 24 ist die Grungfläche eines Lichtsammlers angeschlossen, der aus swei, im Anschluß aneinander, angebrachten, und wie in der Abb. 3 gezeigt, X»iEs Kegelstümpfen 29,30 besteht, wobei die zur Streuungskammer des Kegels 29 gewendete Grundfläche als Sammellinse ausgeformt werden kann. Die Lichtsammelkegel 29, 30 sind alsei ein zusammen hängender Körper aus durchsichtigem Material, z.B Plexiglas, mit polierter Fläche Oberfläche hergestellt, so daß man eine Totalreflexion der Strahlen aus dem Innern des Kegels zur Oberfläche für Winkel erhält, die kleiner sind als der Totalreflexionswinkel. Hilfsweise kann der Lichtsammler ein Hohlkörper mit reflektierender Inenseite sein. Der kegelförmige Lichtsammler hat den Vorteil, daß man mit ihm das Licht von einem Streuunäsvolumen,von ziemlich großem Ausmaß in der Tiefe und nach den Seiten, auf eine kleine Fläche konzentrieren kann Um viel Streulich zu sammeln, ist die Eintrittsfläche des Kegels 29 so groß als s möglich und das aufgefangene Licht wird mit möglichst geringen Verlusten auf das Austrittsende des Kegels 30 konzentriert, der den gleichen Durchmesser hat wie eine direkt daran angeschlossene lichtempfindlich Zelle 31, Als solche Zelle können verschiedene Detektortypen benutzt wer den, z.B. die marktgängigen Fotoresistoren von Cds oder CdSe. Die Zelle 31 is in einen massiven Block 32 einmontiert, beispielsweise aus Aluminium, Bozug und in dem gleichen Block 32 ist eine #########szelle 33 von der gleiche Art wie die Zelle 31 einmontiert. Die Zelle 33 ist mittels eines totalrelfektierenden Plexiglasstabes 34 oder eines anderen Lichtleiters, z.B.
• einer Fiberoptik, an den Raum mit der Lichtquelle 21 angeschlossen und zwischen der Lichtquelle und dem nahebelegenen Ende des Stabes 34 befindet sich eine stellbare Blendenvorrichtung 35.
• Abb. 4 zeigt im Prinzip die Einschaltlmg der lichtempfindlichen Zellen 31, 33 in eine Widerstandsmeßbrückeß die in bekannter Weise zwei gleich große konstante Widerstände 36, 37 mit einem geeigneten Widerstandswert, einen Potentiometer 38 für Feineinstellung, einen Verstärker 39, ein Anzeigeinstrument oder einen Schreiber 40 und eine Batterie 41 enthält. Darüber hinaus kann eine Registriervorrichtung an den Verstärker 39 angeschlossen sein.
• Das Gerät gemäß Abb. 3 sowie die Schaltung gemäß Abb. 4 fungieren auf folgende Weise. Von der Lichtquelle 21 wird zur Lichtfalle 25 ein konzept triertes Strahlenbündel 23 gerichtet. Die Prüfluft wird der Streuungs kammer 24 z.B. zo zugeführt, daß diese 60-70 Luftwechsel in der Minute erhält. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch die Saugwirkung des Auslaßrohres 28, das für diesen Zweck an eine Saugvorrichtung angeschlossen ist, die eine von Hand oder elektrisch getriebene Saugpunmpe, eine C02-etriebene Ejektorpumpe usw. sein kann, Je nach dem ob es sich um einzelne Punktmessungen oder Großmeßserien handelt.
• Bei dem Durchgang der Prüfluft durch das Verbindungsloch 26 wird das ganze Prüfvolumen von dem Strahlenbündel 23 beleuchtet und bei der weiteren Strömung der Prüfluft durch die Streunngskammer 24 bis Lichtfalle 25 in liegt das Strahlenbündel die ganze Zeit hin/dem Prüfvolumen. Hierdurch erhält die Beleuchtung eine größere Menge von Aerosolpartikeln in der Prüfluft und während einer längeren Strecke'als wenn das Strahlenbündel wie früher nur quer durch einen PrUSluftstrtm gerichtet wäre. Wenn die Aerosolpartikeln die Strecke von dem Verbindungsloch 26 bis in die Nähe der Lichtfalle 25 passieren, streuen sie das Licht, das auf die Grundfläche des Lichtsammlerkegels 29 trifft, worauf das Licht in dem Lichtsammler 29, 30 zu der lichtempfindlichen Zelle 31 geleitet und auf diese konzentriert wird. Es kann dann an dem Anzeigeinstrument 40 abgelesen werden. Die Meßbrücke, Abb, 4, ist vorher auf reine Luft dadurch nullgestellt, daß die szelle 33 mit einem mit der Blendenvorrichtung 35 geregelten Teil des Lichtes von der Lichtquelle 21, die durch den lichtleitenden Stab 34 zur Bezugs zelle 33 geleitet worden ist, beleuchtet worden ist.
• Durch die Montage der lichtempfindlichen Zellen 31, 33 in dem gleichen Elock, so daß sie die gleiche Temperatur erhalten, und durch Nullstellung der Meßbrücke wird ein Ausgleich für die Wirkung der äußeren Temperaturwechseltnts auf die Zellen 31, 33 sowie für die Anderungen des Lichtflusses der Lichtquelle erreicht, welche Änderungen beispielsweise von der Batterie herrühren können Diese Ausgleichsmaßnahmen verbürgen einen hohen Grad von Stabilität und Zuverlässigkeit des Instrumentenausschlages.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Gerätes sind vor allem, daß die Lichtstreuung der Aerosole während ihres Durchgangs durch eine relativ lange Strecke des Strahlenbündels erfolgt, so daß eine bedeutende Lichtmenge die lichtempfindliche Zelle'trifft, daß das Gerät schnellen Ausschlag gibt, da das Volumen der Streuungskammer so klein als möglich ist, daß die iSrnpfindlichkeit des Gerätes unter Berücksichti~ gung seines einfachen Aufbaus besonders hoch ist, daß der Kraftverbrauch so gering istrdaß die Batterie ausreichend hierfür ist und daß das Gerät leicht in der Handhabung ist.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren, um das Vorhandensein von in der Luft oder in Gasen schwebenden Partikeln, Aerosolen, festzustellen oder zu überwachen, indem lan in einer Streuungskammer ein Lichtbündel durch die Luft oder die Gase hindurchschicktl a dabei vorkommende Aerosole trifft, die eine Li¢it-; streuung verursachen, welche von einer lichtempfindlichen Zelle abgetastet wird, dadurch g e k e n n z e i ¢ h n e t, dap die Streuungskammer, durch welche der Luftstrom geleitet wird, eine langgestreckte Form erhält, daß der Lichtstrahl oder das Strahlenbundel durch die erwähnte Kammer in der Längsrichtung geht und daß die Prüfluft oder das Prüfgas ebenfalls durch die Streuungskammer geleitet wird, so daß die in der Luft befindlichen Partikeln während des gröAten Teils des Durchgangs durch die Streuungskammer sich in dem Strahlenbündel befinden, wobei die Lichtstreuung während der ganzen Zeit erfolgt, in der sich die Partikeln in dem Strahlenbündel befinden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Luft oder die Gase und das Strahlenbündel veranlaßt werden, durch eine und dieselbe Öffnung in die Streuungskammer zu gelangen und daß der Querschnitt des Strahlenbündels in der Öffnung in der Hauptsache die gleiche Fläche erhält wie die Öffnung.

3. Gerät für die Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei dieses eine Streuungskammer (4, 24) mit Einlaß und Auslaß (27, 28) für Luft oder Gase und eine Beleuchtungsvorrichtung (5, 7 oder 21, 22), um ein konzentriertes Strahlenbündel (12, 23) durch die Streuungskammer zu richten, sowie eine lichtempfindliche Zelle (9, 14, 31) zur Aufnahme von Streulicht durch die Aerosole, die in der Luft oder den Gasen vorkommen, umfaßt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dap die Streuungskammer (4, 24) länglich ist, daß ein Einlaß und ein auslad (2, 3 oder 27, 28) an den Enden der Kammer für den Durchgang der Luft oder der Gase in der Längsrichtung der Kammer angeordnet sind, und da das Strahlenbündel (12, 23) eich in der Längsrichtung der Kammer (4, 23) erstreckt.

4. ### Gerät gemäß Anspruch 3, ####### g e k e n z e i c h n e t durch ein röhrenförmiges Gehäuse (1), das die Streuungskammer (4) bildet, in dessen Wand eine Lichtöffnung (8) angeordnet ist, neben welcher die lichtempfindliche Zelle (9) angebracht ist.

5. Gerät gemäa Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Begrenzungen des röhrenförmigen Gehäuses der Streuungskammer (4) aus Lichtschleusen (2, 3) bestehen, und das die Lichtquelle (5) unmittelbar vor der einen Lichtschleuse (2) und die Seitenöffnung (8) vor der anderen Lichtechleuse (3) angebracht ist.

6. Gerät gemäß Anspruch 3 und 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dap zwischen der Lichtöffnung (8') und der lichtempfindlichen Zelle (14) ein Lichtsammler (13) angebracht ist, der aus einem homogenen, massiven lichtleitenden Stab oder einem Hohlkörper mit Licht reflektierender Innenfläche besteht.

7. Gerät gemäß Anspruch 3, g e k e n n z e i c h n e t durch einen langgestreckten Körper (20), in dessen Längsrichtung nacheinander eine Lichtquelle (21), ein Lichtkondensorsystem (22), eine Streuungskammer (24) ### eine Lichtfalle (25), ein Lichtsammler (29,30) und eine lichtempfindliche Zelle (31) angeordnet sind, wobei die Streuungskammer (24) mit einem Einlaß und einem Auslad (27, 28) versehen sind.

8. Gerät gemäß äß Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Streuungskammer (24) mit einem zentral angebrachten Verbindungsloch (26) verehen ist für den Durchgang der gesamten Prüfluft oder Prüfgase und des Strahlenbündels (23), und daß die Fläche des Verbindungsloches (26) und die Querschnittsfläche des Strahlenbündels dort in der ¢auptsache gleich groß sind.

9. Gerät gemäß Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i o h n e t, daß der zwischen dem Verbindungloch.(26) und Bem Lichtsammler (29) belegene Teil (24") der Streuungskammer (24) die Form eines Stumpfkegels mit der Grundfläche an dem Lichtsammler hat.

10. Gerät gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daA die neben dem Lichtsammler belegene lichtempfindliche Zelle (31) und eine Bezugs zelle (35) von derselben Art dicht beieinander in in einem Block (32) einmontiert sind, um die gleiche Temperatur zu halten, daß die Bezugszelle (33) mittels eines Lichtleiters (Stab oder Fiberoptik) an den Raum mit der Lichtquelle (21) angeschlossen ist, und daß eine stellbare Blendenvorrichtung (35) zwischen der Lichtquelle und dem nächstbelegenen,Ende des Lichtleiters angeordnet ist.