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"Verfahren zur Extinktionsmessung"
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extinktionsmessung mittels
Licht. Aus dem Sonderdruck "AEG-Mitteilungen" 55 (1965) 5, S. 448 - 450 ist es bekannt,
die Aerosolpartikeldichte aus der Extinktion (Auslöschung) des Lichtes durch diese
Partikel zu bestimmen. Unter Ausnutzung dieses Effektes wird beispielsweise in Schornsteinen
industrieller Beuerungen die Rauchdichte ermittelt. Hierbei sendet das Messgerät
einen
Lichtstrahl durch das zu untersuchende Medium auf ein fotoeletrisches Bauelement.
In den Lichtstrahl eindringende Rauchpartikel absorbieren und streuen einen Teil
des vom Meßgerät ausgesendeten Lichtes, wodurch die Intensität des empfangenen Lichtes
geschwächt wird. Die Lichtschwächung wird elektronisch ausgewertet und angezeigt.
Die Meßgröße kann zum Steuern des Verbrennungsvorgangs der Feuerung und/ oder zur
Auslösung eines Alarms, wenn die maximal zulässige Rauchdichte im Schornstein überschritten
wird, verwertet werden.
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Extinktionsmeßgeräte ermitteln den spektralen dakadischen Extinktionsmodul
(DIN 1349): m = lg (1/r) / d (1) Mit # =#m / #0 = exp (-CExt . z. d) (2) wird m
= 0,433 . CExt (1a) In diesen Gleichungen bedeuten: m - spektraler dekadischer Extinktionsmodul
d = Meßweglänge # = Trasmissionsgrad = = spektraler Strahlungsfluß mit (Index m)
bzw. ohne (Index o) extingierenden Partikel in Lichtweg
CExt = Extinktionsquerschnitt
z = Teilchenkonztratien Ferner wurde die Beziehung lg x = lg e-ln x = 0,433.ln x
benutzt.
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Der Extinktionsquerschnitt ist eine Funktion der Wellenlänge des Meßlichts,
der Größe und Form der Aerosolpartikel und der optischen Konstanten (Brechungs-
und hbsorptionEindex) der Aerosolpartikel.
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Da die Lichtschwächung nur wenige Prozent beträgt, ist es üblich,
Extinktionsmeßgeräte nach einem Brücknmeß- oder Zweistrahlkompensatinsverfahren
aufzubauen. Dabei wird der von in den Lichtweg des Meßstrahls eindringenden Aerosolpartikeln
geschwächte Lichtstrahl mit einem Vergleichslichtstrahl, der von der verunreinigten
Luft abgeschirmt ist, verglichen. Weiterhin wird im Meßgerät der Quotient aus beiden
Strahlungsflüssen (#m/#o) ermittelt und von dieser Größe der Logarithmus gebildet.
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Die Meßweglänge wird durch den Verstärkungsfaktor berücksichtigt,
so daß die Ausgangsgröße eines kommerziellen nxtinktionsmeßgerätes gemäß Gleichung
dem Produkt aus Extinktionsquerschnitt und Teilchenkonzentration (CExt . z) proportional
ist.
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Durch Anwendung des Zw ei strahlkompensationsverfahrens gelingt es,
das Neßergebnis unabhängig von Spannungs- und nemperaturschwankungen
der
Lichtquelle und des fotoelektrischen Empfängers zu machen und die Probleme der Alterung
der Bauelemente zu beherrsclien.
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Extinktionsmeßgeräte werden für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt.
Neoen der Bestimmung der Rauchdichte in Schornsteinen werden sie auch zur Messung
der Staubkonzentration am Arbeitsplatz und zur Messung der Immission in der Umgebung
von Kalkwerken, aber auch zur ermittlung der Sichtweite bei Nebel an Autobahnen,
auf Schiffen und auf Flughäfen verwendet. In Forschungslaboratorien diesen sie der
Rauchdichtemessung bei Versuchsbränden und zur automatischen Brandentdeckung. In
der Lebensmittelindustrie überwachen sie die Intensität des Holzrauchs in Raucherkamme.rn.
Ferner dienen sie als Meßgeräte in Meßstationen des Umweltschutzes.
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In allen Fällen wird das Produkt CExt . z gemessen. Da aber der Extinktionsquerschnitt
Czxt eine sehr komplizierte sektion der Wellenlänge des Meßlichtes, der Partikelform,
der Partikelgröße und der Materialeigenschaften der Partikel ist, sind die mrgebnisse
von Messungen mit unterschiedlichen Geräten nicht oder nur bedingt vergleichbar.
Außerdem wäre es erwünscht, die Zigenschaften der Aerosolpartikel näher zu charakterisieren,
so daß es möglich ist, beispielsweise absorbierende von nicht absorbierenden Partikeln
zu unterscheiden.
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la Wie aus Gleichung entnehmbar ist, ist es bisher nicht möglich,
beispielsweise Rußpartikel von Nebeltropfen zu unterscheiden, da unterschiedliche
Werte des Extinktionsquerschnitts durch den zweiten Faktor, die Teilchenkonzentration
z, kompensiert werden können. lius einem Meßergebnis ist daher nur ein bedingter
Rückschluß auf die Ligenschaften des aerosols möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Extinktionsmessung anzugeben, mit dem auf einfache Weise absorbierende von schwach
oder nicht absorbierenden Partikeln unterschieden werden können, ohne daß die Teilchenkonzentration
berücksichtigt werden muß.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Extinktionsmodul
bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen gemessen wird und zur Unterscheidung
transparenter oder absorbierender Partikel der Quotient aus den ermittelten «xtinktionsmoduln
gebildet und ausgewertet wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nun möglich, die mxtinktionsmessung
so durchzuführen, daß absorbierende und nicht absorbierende Aerosolpartikel erkannt
werden. Dadurch läßt sich beispielsweise kauch von Dampf eindeutig unterscheiden.
Durch die Quotientenbildung der beiden Meßergebnisse werden
Informationen
über den Wellenlängenexponenten des Lxtinktionsquerchnitts der Aerosolpartikel im
Lichtweg erhalten, der seinerseits angibt, ob die Partikel stark, schwach oder nicht
absorbierend sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Vorteil auch zur Extinktionsmessung
von Hydrosolpartikeln anwenden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der rrfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. Wird für die eine Wellenlänge eine Wellenlänge
im sichtbaren und für die andere Wellenlänge eine Wellenlänge im infraroten Spekt'ral
gebiet verwendet, so lassen sich billige und einfach zu justierende Bauelemente
einsetzen.
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Anspruch 3 gibt eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens an unter Verwendung der beXannten Zweistrahlmethode.
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Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen/näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 Wirkungsfaktor für Ruß und Wasser als Funktion von
Fig. 2 Extinktionswirkungsfaktor als Punktion der Wellenlänge Fig. 3 Blockschaltbild
eines mxtinktionsmeßgerätes gemäß der Erfindung.
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Zur Extinktionsmessung wird entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung
der Extinktionsmodul m = 0,433 . CExt . z bei mindestens zwei unterschiedlichen
Wellenlängen # gemessen und zur Unterscheidung transparenter oder absorbierender
Partikel der Quotient
zur den ermittelten Extinktionsmoduln gebildet und aasgewertet. Zur Erzielung reproduzierbarer
Ergebnisse bei der Druchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig,
zwei Teßstrahlen mit den unterschiedlichen Wellenlängen #1 und #2 z verwenden, wobei
für die eine Wellenlänge al eine Wellenlänge in sichtbaren und für die andere Wellenlänge
#2 eine Wellenlänge in infraroten Spektralgebiet verwendet wird, und für beide Meßstrahlen
das Zweistrahlkompensationsprinzip anzuwenden, bei dem beide Meßstrahlen mit einen
Vergleichsstrahl verglichen werden.
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Mit dem Quotient q aus den ermittelten EXtinktionsmoduln lassen sich
folgende Informationen gewinnen. Im Bereich der Rayleigh-Streuung (#.r « k) gelten
für den Extinktions- und Streuquerschnitt folgende Näherungen:
Bezeichnungen: CExt Extinktionsquerschnitt QExt Extinktionswirkungsfaktor CStr Streuquerschnitt
QStr Streuwirkungsfaktor r Partikelradius M = M1-jM2 komplexer Brechungsindex M1
Brechungsindex M2 Absorptionsindex 2xr/A Grö3enzahl Voraussetzungen: homogene, isotrope,
kugelförmige Partikel, monochromatische Strahlung, Einzelstreuung, Monodispersion.
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Sind die Partikeldurchmesser 2r<0,5 µm, was für
viele
atmosphärische Aerosole (Dampf, Nebel), Zigarettenrauch und andere Raucharten zutrifft,
so können die oben angegebenen Gleichungen bei Wellenlängen oberhalb von Ä=1/um
mit einer gewissen Berechtigung zur AbschätzunC der Extinktion herangezogen werden.
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Aus Gleichung (4) folgt, daß der Extinktionsquerschnitt absorbierender
Partikel der Wellenlänge umgekehrt proportional ist. Diese Gleichung gilt nicht
mehr für transparente Partikel (M2 p°) In diesem Falle wird die Extinktion gleich
der Streuung, und der Streuquerschnitt ist der 4. Potenz der Wellenlänge proportional
(Gl. (5)).
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In Fig. 1 sind die Wirkungsfaktoren für Extinktion QExt, für Streuung
QStr und Absorption QAbs als Funktion der Größe k/(2sr) in doppelt logarithmischem
Maßstab aufgetragen. Der Index R bezeichnet die nach der Mie-Theorie ermittelten
Werte für Rußpartikel (MR 3 1,96 - j 0,66),' und der Index W gilt für die entsprechenden
Werte für Wassertröpfchen (MW = 1,33).
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Man erkennt, daß QExtR = CExtR / (#r²) für ruß proportional 1/# ist,
während QStrR proportional 1/#4 verläuftl. Für #/(2#r) )2,5 liefert die Streuung
keinen bedeutenden Anteil zur Extinktion mehr, vielmehr ist der Absorptionswirkungsfaktor
QAbsR als domihierender Anteil gleich dem Extinktionswirkungsfaktor.
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Bei Wassertröpfchen fehlt die Absorption. Q-xtW ist daher 1/A4 proportional.
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Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit des Extinktionswirkunngsfaktors QExt
als Funktion der Wellenlänge mit dem bsorpticasindex M2 der Partikel im Lichtweg
als Parameter.
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Zwischen den beiden Grenzfällen des 1/h - und des 1/#4-Gesetzes absorbierender
und nichtabsorbierender Partikel gibt es in Bezug auf den Wellenlängenexponenten
einen kontinuierlichen Übergang im Bereich der hier betrachteten Wellenlängen 1
µm###10 µm.
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Am folgenden Beispiel seien die Zusammenhänge noch einmal verdeutlicht.
Angenommen, ein Extinktionmeßgerät ermittelt den Quotient q aus den bei zwei Wellenlängen
gemessenen Extinktionsquerschnitten nach Gleichung 3. Die Wellenlänge n.- sei so
gewählt, daß sie im sichtbaren Spektralbereich bei 0 ,5m liegt, die zweite Wellenlänge
liege bei 2 µm. Dringen Aerosolpartikel der angenommenen Eigenschaften (homogene,
isotrope, kugelförmige Partikel des Durchmessers 2r = 0,23/um) in den Lichtweg ein,
so hängt das Meßergebnis nach Gl. (3) nicht mehr von der Konzentration, wohl aber
von den optischen Konstanten der Partikel, dem Brechungs- und Absorptionsindex,
ab.
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In Fig. 2 wurde der Brechungsindex von Ruß M1R = 1,96 vorausgesetzt,
während der Absorptionsindex M2 als Parameter an den Kurven angegeben ist. Ein für
Ruß typischer Absorptionsindex
ist M2R 3 0,96. Hier sei mit M2R
= 1 gerechnet. Für Rußpartikel erhält man mit Fig. 2 und Gl. (3) q1 = m#1/m#2 =
CExt#1/CExt#2 = QExt#1/QExt1/QExt#2 (6) =QExt(0,5 µm)/QExt(2 µm) = 3/0,55 = 5,45.
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Für nichtabsorbierende Partikel (M2 = 0) mit dem Brechungsindex M1
= 1,96 erhält man gemäß Gl. (3) den Quotienten q2 = 2,8/0,012 = 233. (7) Wenn auch
der Brechungsindex von Wassertropfen L1 = 1,33 statt 1,96 beträgt, so zeigt das
Beispiel, daß eich aus den unterschiedlichen Quotienten q1 und q2 Aussagen über
den Absorptionsindex M2 der Partikel in Lichtweg machen lassen. Bezeichnet man mit
# = 1g (QExt/QExt#2)/lg(#1/#2) (8) den Wellenlängenexponent, so ist dieser ein Naß
für die Steigung der in Fig. 2 gezeigten Kurven. Während im angeführten Beispiel
der Wellenlängenexponent von Rußpartikeln bei = 2 µm ungefähr -1 beträgt (Tangente
an die Kurve mit dem Parameter M2 = 1 im Punkt # = 2 µm), beträgt er für nichtabsorbierende
Partikel (M2 = 0) ungefähr -4.
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Die prinzipiellen Verläufe des Extinktionswirkungsfaktors gelten auch
für polydisperse Aerosole, wenn also die Partikeldurchmesser nicht mehr monodispers
sind, sondern einer Wahrscheinlichkeitverteilung gehorchen. Wie die angeführten
Beispiele zeigen, ändert auch die merücksichtigung der Wellenlängenanbhängigkeit
des komplexen Brechurgsindex von Ruß und Wasser und anderer extinglerender Stoffe
die beschriebenen Verhältnisse kaum. Auch wenn die Messung nicht monochromatisch,
sondern In einem vorgegebenen Wellenlant;enintervall durchgeführt werden, wander;
sich die abgeleiteten Beziehungen nLr wenig Daher kann das vorgeschlagene Verfahren,
allgemein in der Praxis angewendet werden.
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Der Vorteillnes Meßverfahrens beshent darin, daß aus einer Extinktionsmessung
Aussagen über die optischen Eigenschaften der Aerosolpartikel im Lichtweg gemacht
@ werden können und daß insbesondere verschiedene Aerosolarten voneinander unterschieden
werden können So ist es möglich, stark von schwach oder nicht absorbierenden Partikeln
zu unterscheiden.
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Als Anwendungsbeispiel sei die Brandentdeckung genannt, wo durch arbeitsbedingte
Verarbeitungsprozesse Wasserdampf entstehen kann oder Zigarettenrauch auftritt,
was nicht zum Auslösen eines Alarms führen darf, während schwarzer Rauch, der bei
der Verbrennung von Erdölprozessen wie Gummi und Kunststoffen entsteht, im Brandfall
als Brandkenngröße erkannt werden soll.
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In Fig. 3 ist das Blockschaltbild eines Extlnktionsmeßgerätes dargestellt,
das bei zwei Wellenlängen nach der Zweistrahimethode den Extinktionsmodul mißt.
Das Licht einer Strahlungsquelle 1 wird durch einen teildurchlässigen Spiegel 2
in einen Meßstrahl M und einen Vergleichsstrahl V aufgespalten. Der Meßstrahl wird
von einer ersten Samnelllnse 3 parallel gerichtet, durchtritt ein Lichaustrittsfenster
4 und gelangt in die Meßstrecke mit dem zu untersuchenden Aerosol. Im Ausführungsbeispiel
ist als Meßstrecke ein Kamin schematisch dargestellt. Auf der der Lichteinfallsseite
entgegengesetzten Seite des Kamins wird der Meßstrahl von einem Trippelrefelktor
5 zurückgeworfen und gelangt auf dem gleichen Weg, auf dem er gekommen ist, zurück.
Vom halbdurchlässigen Spiegel 2 wird er jedoch zum Teil zu einer Auswerteeinrichtung
umgelenkt.
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Das vom halbdurchlässigen Spiegel abgelenkte Licht der Strahlungsquelle
1 bildet den Vergleichstrahl V. Er wird durch eine zweite 6 Sammellinse parallel
gerichtet, von zwei Planspiegeln 7 und 8 zum Lichtaustrittsfenster 4 umgelenkt und
auf der anderen Seite des Lichtaustrittsfensters von einem Planspielel 9 reflektiert,
so daß auch der Vergleichsstrahl den gleichen Weg zurücknimmt, den er gekommen ist.
Jedoch wird ein Teil dieses zurückkehrenden Vergleichsstrahl vom halbdurchlässigen
Spiegel 2 durchgelassen und fällt ebenfalls auf die Auswerteeinrichtung.
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Als Auswerteeinrichtung können z. B ein durch einen mechanischen Schwinger
10 mit Lochblende 11 und Winkelspiegel 12 ausgebildeter Lichtintensitätsmodulator
vorgesehen sein, welcher die Intensität des I.e- und des Vergleichs strahls moduliert,
bevor die Strahlen ef jeweils einen als Fotoempfänger 13 und 14 ausgebildeten Strahlungsmpfänger
fallen und von diesen in elektrische Signale umgewandelt werden.
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An die Strahlungsempfänger ist eine elektrische Auswerteeinrichtung
angeschlossen, die aus Verstärker 15 und 16 je Me3-kanal und einem diesem nachfolgenden,
von einen Taktgenerator 21 gesteuerten A/D-Wandler bestehen kann, dessen digitale
Ausgangsdaten von einem Mikrorechner 23 unter Zuhilfenahme fester und variabler
Daten der Speicher 24 und 25 verarbeitet werden.
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Als Strahlungsquelle 1 dient beispielsweise eine Glühlampe, die im
Wellenlängenbereich zwischen # = 0,4 µm bis # = 2,5 µm Licht emittiert. Als fotoelektrische
Bauelemente 13 und 14 können vorzugsweise eine Siliziumfotodiode und ein 3leisulfid-Fotowiderstand
verwendet werden.
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Mit der Silizium-Fotodiode wird die auf die Auswerteeinrichtung fallende
Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich (0,5 µm bis 0,8 µm) gemessen, mit dem
Bleisulfid-Fotowiderstand die auf die Auswerteeinrichtung fallende Strahlung im
.ellenlangenbereich
um Zur Erhöhung der Selektion kann dem Fotowiderstand ein optisches Filter angebracht
werden, das die Anteile der von der Strahlungsquelle empfangenen Strahlung in sichtbaren
und nahen infraroten Spektralbereich unterhalb von Ä=1,%um eliminiert.
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Durch den mechanischen Schwinger 10 wird die Stlung zeit-Lich in ihrer
Intensität moduliert. Nur der Wechselspannungsanteil der fotoelektrischen Bauelemente
13 und 14 wird durch die nachfolgenden Verstärker 15 und 16 in 2 Meßkanälen getrennt
verstärkt und elektronisch ausgewertet.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung @@@@ an die @@@her@@@ lichen
Extinktionsmeßgeräten analog verarbeiteten Meßwerte einem Mikrorechner ausgewertet.
Hierzu wird nach der Verstärkung und einer Gleichrichtung der Meßwerte der fotoelektrischen
Bauelemente 13 und 14 für beide Meßkanäle eine getrennt Analog-Digital-Wandlung
im A/D-Wandler 17 und eine Eingabe der digitalen Werte in einen Mikrorechner 23
durchgeführt.
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Die Bildung des Logarithmus, der zeitlichen Mittelwerte und des Quotienten
zwischen beiden Meßkanäle wird im Rechner 23 unter Zuhilfenahme eines in einem Festwertspeicher
24 gespeicherten Programms und eines variablen Speichers 25 ausgeführt.
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Die Steuerung des machanischen Schwingers 10 oder bei getrennt ausgeführten
optischen Systemen beider mechanischer Schwinger kann extern oder intern über Auseabetore
19 vom Rechner aus erfolgen. Ebenso ist es vorteilhaft, die Verstärkungsfaktoren
und die Steuersignale für die phasenselektive Gleichrichtung, die Uberwachung der
Glühlampenspannung und die Pegelkontrolle vom Rechner her einzustellen und zu überwachen.
Weiterhin lassen sich über Ausgabetore (2O) verschiedene Anzeige Instrumente und
Alarnmittel vom Rchner steuern.
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Es ist eine Frage der weiteren Auswertung, ob der Quotient q = QExt#1/QExt#2
oder der Wellenlängeneuxponent # zur Charakterisierung der Partikel im Lichtweg
verwendet werden. In beiden Fällen ist jedoch die Unterscheidung absorbierender
und transparenter Partikel möglich.
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Statt einer einzigen Glühlampe als Strahlungsquelle 1 können auch
2 Strahlungsquellen unterschiedlicher Spektralbereiche oder mit unterschiedlichen
selektiven Emissionsspektren verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich,
eine Strahlungsquelle mit sichtbarer Strahlung und eine weitere mit infraroter Strahlung
vorzusehen und mindestens in einem Wellenlängenbereich den Gesamtextinktionsmodul
mG zu ermitteln. Auch lassen sich in den Strahlengang vor die fototelektrischen
Neßeinrichtungen 13 und 14 optische Filter unterschiedlicher spektraler Durchlässigseit
anordnen.
In diesen Fällen können dann stets zwei Gleichartige fototelektrische Meßeinheiten
13 und 14 verwendet werden.
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Statt zwei gleichartiger foto elektrischer Neßeinheiten kann auch
eine einzige fotoelektrische Meßeinheit verwendet werden. Hierzu werden die Strahlungseinheiten
mit unterschiedlichen Frequenzen intern oder extern moduliert und jedem Meßstrahl
wird ein Vergleichsstrahl zugeordnet. Die fotoelektrische Meßeinheit empfängt die
Strahlung der Neß- und Vergleichsstrahlen und die Trennung der Frequenzen und Amplituden
der Neß- und Vergleichsstrahlen in der elektrischen Auswerteeinricung erfolgt dann
zweckmäßigerweise durch eine Frequenz-oder Zeitselektion.