DE2734347B2

DE2734347B2 - Anordnung zum Nachweis von Schwebeteilchen

Info

Publication number: DE2734347B2
Application number: DE2734347A
Authority: DE
Inventors: Walter 6229 Schlangenbad Glockmann; Werner Dipl.-Phys. Dr. 6206 Taunusstein Rech
Original assignee: Heimann 6200 Wiesbaden GmbH
Current assignee: Heimann 6200 Wiesbaden GmbH
Priority date: 1977-07-29
Filing date: 1977-07-29
Publication date: 1979-12-06
Also published as: IT7825764A0; ATA546878A; NL7807117A; CH624767A5; BE869380A; AT375777B; BR7804881A; SE430828B; DE2734347A1; SE7808218L; IT1097182B

Description

υ.

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kennzeichnende Parameter von Schwebeteilchen in einem Medium sind neben der Form und der chemischen Zusammensetzung die Anzahl η der in einer Volumeneinheit des Mediums enthaltenen Teilchen und deren mittlerer Durchmesser d Bei einem weit verbreiteten Verfahren zum Nachweis von Schwebeteilchen, insbesondere geringer Konzentration und kleiner Teilchengröße, werden sogenannte Ionisationskammern angewendet, bei denen zwischen zwei Elektroden ein Strom von ionisierten Gasmolekülen oder Atomen fließt und die ein elektrisches Ausgangssignal Uaooh) liefern, das proportional der Anzahl η der Schwebeteilchen und deren mittlerem Durchmesser c/ist, das heißt

Λ (lim)

~ η d.

(I)

30 Die Wirkungsfaktoren Qe_x, lassen sich nach der Theorie von Mie exakt berechnen, vgl. R.H. Giese: »Streuung elektromagnetischer Wellen an absorbierenden und dielektrischen, kugelförmigen Einzelteilchen und an Gemischen solcher Teilchen« in der »Zeitschrift für Astrophysik« 51 (1961), Seiten 119 bis 147.

Führt man als eine auf die Wellenlänge λ der zur Messung herangezogenen elektromagnetischen Strahlung normierte Teilchengröße den dimensionslosen Parameter α ein mit

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Vorrichtungen, die nach diesem Verfahren arbeiten, benötigen eine Ionisationsquelle, die in der praktischen Ausführung in der Regel als radioaktive Strahlenquelle ausgebildet ist. Damit unterliegen derartige Ionisationskammern der Strahlenschutzverordnung der Bundesrepublik Deutschland, deren Neufassung vom 13.10.1976 am 1.4.1977 in Kraft getreten ist und u.a. den fundamentalen Strahlenschutzgrundsatz zur rechtsverbindlichen Verpflichtung erhebt, jede »unnötige« Strahlenexposition zu vermeiden. Mit dem Ziel, die Gesamtbelastung der Bevölkerung soweit wie möglich zu begrenzen, sind die Schutzvorschriften bei der Verwendung von radioaktiven Stoffen allgemein verstärkt worden. Besonders wurden die Freigrenzen für die Genehmigungs- und Anzeigepflicht bei den meisten radioaktiven Stoffen gegenüber bisher um den Faktor 10 erniedrigt.

Zwar ist es grundsätzlich möglich, die Strahlenleistung der radioaktiven Quelle in einer Ionisationskammer unterhalb der neuen Freigrenzen zu halten. Jedoch haben sich solche Ionisationskammern in der praktischen Erprobung entweder als zu unempfindlich gegenüber geringen Konzentrationen der nachzuwei-

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e>o so ergibt die Rechnung, daß die Wirkungsfaktoren
für größere Alphabereiche weitgehend konstante Werte aufweisen. Allgemein läßt sich zeigen, daß für a< 0,67 der Wert von Q&,<1 ist und für &-<■ 00 dem Grenzwert Qe_x,=2 zustrebt.

In erster Näherung läßt sich demnach das Signalverhalten einer optischen Vorrichtung nach Gleichung (2) vereinfacht charakterisieren durch die Beziehung

A(I.Xl)

/l-(rf)¹.

Aus den Gleichungen (1) und (4) geht hervor, daß Vorrichtungen nach dem Ionisationsverfahren für Schwebeteilchen unterschiedlicher Teilchengröße ein grundsätzlich anderes Signalverhalten aufweisen als Vorrichtungen nach dem Extinktions- bzw. Streustrahlungsverfahren. Dies ist von großer Bedeutung für Geräte, die darauf ansprechen sollen, daß das Signal eine für bestimmte Teilchengröße und/oder Teilchenkonzentration charakteristische Schwelle übersteigt, und die daraus beispielsweise ein Meldesignal erzeugen. Setzt man für eine willkürliche Teilchengröße mit dem Durchmesser c/oder für eine Korngrößenverteilung bei Teilchen mit dem mittleren Durchmesser d die Ansprechschwelle eines Gerätes nach dem Extinktionsverfahren gleich der Ansprechschwelle eines Gerätes nach dem Ionisationsverfahren, so wird das Gerät nach dem Extinktionsverfahren durch die Abhängigkeitvom Quadrat des mittleren Teilchendurchmessers d auf kleinere Schwebeteilchen wesentlich unempfindlicher,

dafür auf größere erheblich empfindlicher reagieren. Günstiger ist demnach ein Gerät, das nach dem Ionisationsverfahren arbeitet, wo eine lineare^ Abhängigkeit vom mittleren Teilchendurchmerser d maßgebend ist

In der Praxis ist ein Gerät, das nach dem Extinktionsverfahren aus der Anwesenheit von Schwebeteilchen dispersiver Verteilung ein Meldesignal erzeugt, mit dem Nachteil behaftet, daß es auf eine charakteristische Zusammensetzung aus vorwiegend kleinen Schwebeteilchen nur bei sehr hoher Teilchenkonzentration oder auch gar nicht anspricht, während es für Zusammensetzungen aus größeren Schwebeteilchen sehr früh anspricht. Besonders nachteilig wirkt sich dieses Verhalten bei der Anwesenheit von solchen Schwebeteilchen aus, deren Größe das vom Gerät zu registrierende Spektrum übersteigt und die deswegen als Störteilchen wirken und schon bei geringer Konzentration eine Täuschungsmeldung auslösen können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für dieses Verfahren anzugeben, womit Schwebeteilchen nachgewiesen werden können, mit einem günstigeren Signalverhalten, als es bei rein optischen Verfahren gegeben ist, insbesondere mit einem dem Ionisationsverfahren charakteristischen Signalverhalten, jedoch ohne den Nachteil der starken radioaktiven Strahlungsbelastung, de Ionisationskammern brauchbarer Empfindlichkeit mit sich bringen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kernzeichen des Anspruchs angegebenen Merkmale. Bei dieser Kombination beider eingangs geschilderter Anordnungen erhält man durch multiplikatives logisches Verknüpfen der nach den beiden charakteristischen Gleichungen gewonnenen Ausgangssignale ein Ausgangssignal, das im wesentlichen wie das nach dem lonisationsverfahren gewonnene Ausgangssignal eine lineare Abhängigkeit vomProdukt aus Anzahl η und mittlerem Durchmesser d der Schwebeteilchen hat. Dabei ist aber die Ionisationskammer nicht für den eigentlichen Nachweis ausgelegt, sondern ausschließlich für die Steuerung der Empfindlichkeit bzw. der Ansprechschwelle einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung. Aus diesem Grund kann die Strahlungsleistung der dabei verwendeten radioaktiven Strahlungsquelle so gering ausgelegt sein, daß die Strahlungsbelastung der Umwelt unbedeutend ist.

Das erfindungsgemäße Anordnungsverfahren vereinigt demnach die Vorteile der optischen Nachweisgeräte mit denen der Ionisationsgeräte, ohne die Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Die multiplikative logische Verknüpfung der Ausgangssignale der optischen Kammer und der Ionisationskammer miteinander bzw. die Steuerung der Ansprechschwelle einer der optischen Kammer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung erfolgt dabei so, daß bei Abwesenheit eines ausreichend hohen und definierten Ausgangssignals der Ionisationskammer die optische Kammer unempfindlich ist, d. h. die Ansprechschwelle der Auswerteeinrichtung hoch ist. Mit zunehmendem Ausgangssignal der Ionisationskammer wird die Anspreclischwelle der Auswerteeinrichtung herabgesetzt, so daß bei gleichzeitigem Anliegen ausreichender Ausgangssignale der optischen Kammer und der Ionisationskammer die Ansprechschwelle überschritten wird. Durch die Wahl der nmltiplikativen logischen Verknüpfungsfunktion läßt sich das charakteristische Signalverhalten in weitem Umfang gestalten. Dabei ist das lineare Verhalten entsprechend einer Ionisationskammer eine von vieien Möglichkeiten. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der erlin duiigsgemäßen Anordnung besteht das logische Verknüpfungsglied aus einem elektrisch steuerbaren ohmschen Spannungsteiler, dessen Steuereingang mit dem Ausgang der Ionisationskammer und dessen die zu teilende Spannung führenden Anschlüsse mit dem

ίο Ausgang der optischen Kammer verbunden sind. Es ist beispielsweise auch denkbar, die Verstärkung eines der optischen Kammer nachgeschalteten Verstärkers in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Ionisationskammer zu steuern. So läßt sich auf relativ einfache Weise die erfindungsgemäße logische Verknüpfung der Ausgaagssignale aus Ionisationskammer und optischer Kammer bewerkstelligen.

Anhand eines schematisch in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung weiter erläutert werden.

Mit 1 ist eine optische Kammer bezeichnet, die ein elektrisches Ausgangssignal aus dem Vorhandensein von Schwebeteilchen in einem Medium liefert. Sie arbeitet dabei nach einem rein optischen Verfahren über die Umsetzung der Streuung elektromagnetischer Strahlung in eine elektrische Größe. Verwendet wird dabei eine Strahlungsquelle 2 wie beispielsweise eine Glühlampe oder Leuchtdiode im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich oder auch ein anderer thermischer Strahler und ein Strahlungsempfänger 3 wie beispielsweise eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand oder ein thermischer Detektor, mit dem aus der empfangenen optischen Strahlung ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird. Eine solche optische

η Kammer ist beispielsweise in der DE-AS 15 98 226 beschrieben. Mit 4 ist eine Ionisationskammer bezeichnet, bei der sich ein Medium mit den nachzuweisenden Schwebeteilchen zwischen zwei Plattenelektroden 5, 6 befindet. Zwischen den Elektroden 5, 6 fließt ein Strom von ionisierten Molekülen oder Atomen des Mediums und läßt einen äußeren elektrischen Strom fließen, aus dem ein Ausgangssignal erzeugt wird. Eine lonisationsquelle 7 mit schwach radioaktiver Strahlung verursacht die Ionisation. Wenn sich Schwebeteilchen in dem Medium befinden, lagern sich daran ionisierte Moleküle bzw. Atome an, so daß sich durch die Trägheit der Schwebeteilchen der Ionentransport verlangsamt. Dadurch wird der Ionenstrom kleinen Eine solche Ionisationskammer ist beispielsweise in der DE-AS ,0 19 00 888 beschrieben.

Die elektrischen Ausgänge der optischen Kammer 1 und der Ionisationskammer 4 führen zu einem elektronischen ohmschen Spannungsteiler 8. Dabei liefert das Ausgangssignal der optischen Kammer 1 die zu teilende Spannung, während das Ausgangssignal der Ionisationskammer 4 das Teilerverhältnis bestimmt. Der Ausgang des Spannungsteilers 8 führt zu einer Auswerteeinrichtung 9, die beispielsweise aus einem Schwellwertschalter besteht. Dieser gibt seinerseits ein

bo Ausgangssignal zur weiteren Verwertung ab, z. B. zum Melden des Vorhandenseins charakteristischer Schwebeteilchenanzahl und -größe, wenn sein Eingangssignal e'ne entsprechend eingestellte Schwelle überschreitet. Bei der Abwesenheit von Schwebeteilchen befindet

b5 sich die Anordnung im Ruhezustand. Sowohl die optische Kammer 1 als auch die Ionisationskammer 4 liefern kein Ausgangssignal. Die Anordnung ist unempfindlich; der Spannungsteiler 8 teilt maximal, d. h..

das Spannungsteilerverhältnis Ausgangsspannung/Eingangsspannung ist klein. Bei der Anwesenheit von Schwebeteilchen kleiner Größe vergrößert das Ausgangssignal der dafür empfindlichen Ionisationskammer 4 das Spannungsteilerverhältnis, d.h. erhöht die ^r> Empfindlichkeit der optischen Kammer 1 bzw. erhöht relativ das zur Auswerteeinrichtung 9 gelangende Ausgangssignal der optischen Kammer 1. Anders ausgedrückt bedeutet dies eine Herabsetzung der Ansprechschwelle der Auswerteeinrichtung 9. Über- ι ο schreitet dann der an die Auswerteeinrichtung 9 gelangende Teil des Ausgangssignals der optischen Kammer 1 die Ansprechschwelle, dann gibt die Auswerteeinrichtung 9 ein dementsprechendes Ausgangssignal ab.

Größere Schwebeteilchen, die nicht in das nachzuweisende Spektrum passen und die zu Fehlsignalen führen würden, weil sie ein verhältnismäßig großes Ausgangssignal der optischen Kammer 1 auslösen, lassen demnach die Auswerteeinrichtung 9 so lange nicht ansprechen, wie ihre Konzentration nicht so groß wird, daß auch die Ionisationskammer 4 ein ausreichendes Ausgangssignal liefert, um die Spannungsteilung zu verringern, d. h. das Teilerverhältnis Ausgangsspannung/Eingangsspannung zu vergrößern. Normalerweise wird bei solchen Störteilchen die Spannung des Ausgangssignals der optischen Kammer 1 stark heruntergeteilt und überschreitet die Ansprechschwelle der Auswerteeinrichtung 9 nicht.

Andererseits können Störsignale der Ionisationskammer 4, die durch das relativ starke Grundrauschen der in ihrer Strahlungsleistung stark begrenzten radioaktiven Strahlungsquelle 7 bedingt sind, auch nicht direkt zu einem Ansprechen der Auswerteeinrichtung 9 führen da sie nur vorübergehend die Empfindlichkeit der optischen Kammer 1 erhöhen, d. h. das Spannungsteilerverhältnis vergrößern, die optische Kammer 1 aber kein Ausgangssignal liefert.

Damit ergibt sich, daß die Kombination beide! Anordnungen einer optischen Kammer 1 und einer Ionisationskammer 4, eine optimale Lösung der gestellten Aufgabe ermöglichen: lineares Signalverhalten in Abhängigkeit von Anzahl und mittleren Durchmesser der nachzuweisenden Schwebeteilcher und weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Störteilchen. Die Radioaktivität der benötigten Strahlungs quelle 7 bleibt dabei weit unter einer ins Gewichi fallenden Größe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Nachweis von Schwebeteilchen mit einer optischen Kammer mit mindestens einer Quelle elektromagnetischer Strahlung und mit mindestens einem Empfänger für die an den Schwebeteilchen gestreute bzw. reflektierte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Ionisationskammer (4) mit schwacher Strahlungsleistung vorgesehen ist und daß die elektrischen Ausgänge beider Kammern (1, 4) zu einem logischen Verknüpfungsglied (8) führen, in dem die beiden Signale multiplikativ miteinander verknüpft werden. ₍₅

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Verknüpfungsglied (8) aus einem elektronisch steuerbaren ohmschen Spannungsteiler (8) besteht, dessen Steuereingang mit dem Ausgang der Ionisationskammer (4) und dessen die zu teilende Spannung führenden Anschlüsse mit dem Ausgang der optischen Kammer (1) verbunden sind.

senden Schwebeteilchen oder bei entsprechender Herabsetzung der Ansprechschwelle nachgeschalteter Auswerteeinrichtungen als zu anfällig gegenüber Stör- und Täuschungsgrößen erwiesen.

Andere Anordnungen zum Nachweis von Schwebeteilchen arbeiten auf optischem Wege durch die Bestimmung der von den Teilchen über eine bestimmte Meßstrecke verursachten Extinktion elektromagnetischer Strahlung, z. B. sichtbares licht, Infrarot oder Ultraviolett Dabei kann die Absorption oder die Reflektion bzw. Streuung oder die Summe aus Absorption und Streuung, die Extinktion, gemessen und ausgewertet werden. Vorrichtungen für dieses Verfahren liefern ein Ausgangssignal, das sowohl von den optischen Eigenschaften der Schwebeteilchen abhängt, als auch proportional ist der Teilchenzahl n, dem_ Quadrat des mittleren geometrischen Durchmessers d der Teilchen und den für die Teilchenart charakteristischen mittleren Wirkungsfaktoren Q&,: