DE2734391C3 - Vorrichtung zum optischen Nachweis von Schwebeteilchen - Google Patents

Description

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

f) dem optoelektrischen Empfänger (8) ist ein Umschalter (10) nachgeschaltet, der den Empfängerausgang auf zwei Ausgänge (11, 12) periodisch umschaltet;

g) ein Taktgeber (7) schaltet den Umschalter (10) und den Polarisationsumschalter (4) synchron um;

h) die beiden Ausgänge (11, 12) des Umschalters (10) sind mit zwei Eingängen des Dividiergliedes (13) verbunden;

i) ein multiplikatives Verknüpfungsglied (14) ist an einem von zwei Eingängen mit dem Ausgang des Dividiergliedes (13) und an seinem anderen Eingang mit einem der beiden Ausgänge (11,12) des Umschalters (10) verbunden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl zur Realisierung des multiplikativen Verknüpfungsgliedes (14) der Ausgang des Dividier- v, gliedes (13) mit dem Steuereingang eines elektronisch steuerbaren ohmschen Spannungsteilers verbunden ist und daß der Spannungsteiler an einem der Ausgänge (11,12) des Umschalters (10) liegt, so daß die zu teilende Spannung ein der Streustrahlung und/oder der an den Schwebeteilchen absorbierten Strahlung proportionale Signal L^ ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (U) des Umschalters (10), der ein der vorzugsweise senkrecht zu der Ebene Quelle-Empfänger polarisierten Streustrah-Iwng porportionales Ausgangssignal U₁ fahrt, zur multiplikativen Verknüpfung dieses Signals U\ mit dem Polarisationsgrad ρ der Streustrahlung proportionalen Signal U_p mit dem weiteren Verknüpfungs- to glied (14) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem multiplikativen Verknüpfungsglied (14) eine Schwellwertstufe (15) nachgeschaltet ist, die ein Signal abgibt, wenn ihr μ Eingangssignal eine für bestimmte Schwebeteilchengröße und/oder Schwebeteilchenkonzentration signifikante Schwelle überschreitet.

5, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektrische Empfänger (8) so angeordnet ist, daß er Streustrahlung empfängt, deren Richtung mit der der verursachenden Quellenstrahlung im wesentlichen einen rechten Winkel bildet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Nachweis von Schwebeteilchen mit den Merkmalen:

a) Eine Quelle linear polarisierter elektromagnetischer Strahlung ist auf die Schwebeteilchen gerichtet;

b) ein optoelektrischer Empfänger empfängt die an den Schwebeteilchen in einem Winkel gestreute elektromagnetische Strahlung;

c) durch Einsatz eines periodisch betätigten Polarisationsumschalters ist die auf die Schwebeteilchen fallende elektromagnetische Strahlung periodisch wechselnd in der Ebene Quelle-Schwebeteilchen-Empfänger und senkrecht dazu polarisiert;

d) der optoelektrische Empfänger bildet aus den Amplituden der empfangenen elektromagnetischen Strahlungen elektrische Signale, die periodisch mit dem Polarisationsumschalter wechseln;

e) die beiden elektrischen Signaie werden auf ein Dividierglied gegeben.

Kennzeichnende Parameter von Schwebeteilchen in einem Medium sind neben der Form und der chemischen Zusammensetzung die Anzahl π 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 »/-ei Elektroden ein Strom von ionisierten Gasmolekülen oder Atomen fließt und die ein elektrisches Ausgangssignal U_A(ion) liefern, das proportional der Anzahl η der Schwebeteilchen und deren mittlerem Durchmesser dist, d. h.

■Μ Hon)

~ η ■ d

Vorrichtungen, die nach diesem Verfahren arbeiten, benötigen eine Ionisationsquelle, die in der praktischen Ausführung in der Regel als radioaktive Strahlenquelle ausgebildet ist. Obwohl die Strahlungsleistung der dabei verwendeten radioaktiven Präparate sehr gering gehalten werden kann, ist dennoch die Verwendung radioaktiver Substanzen aus Schutzgründen nachteilig.

Andere Verfahren zum Nachweis von Schwebeteilchen arbeiten auf optischem Weg 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 Reflexion bzw. Streuung oder die Summe aus Absorption und Streuung, die Extinktion, gemessen und ausgewertet werden. Vorrichtungen für diese 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 for die Teilchenart charakteristischen mittleren Wirkungsfaktoren C?&₍:

l/.

Ά (E«i

(äf

(2)

Die Wirkungsfaktoren Q&, lassen sich nach der Theorie von Mie exakt berechnen. Vergleiche R. H. Giese: »Streuung elektromagnetischer Wellen an absorbierender und dielektrischen kugelförmigen Ein- ι ο zelteilchen 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 «ein mit

■d

(3)

20

so ergibt die Rechnung, daß die Wirkungsfaktoren Qe_x, für größere Alphabereiche weitgehend Konstante Werte aufweisen. Allgemein läßt sich zeigen, daß für <x< 0,67 der Wert von Qexi< 1 ist und für cc ->■ oo dem Grenzwert Q&t = 2 zustrebt

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

^A {Ext)

(df.

JO

(4)

als Störteilchen wirken und schon bei geringer Konzentration eine Täuschungsmeldung auslösen können.

Eine genauere Analyse der Wirkungsfaktoren (?s<_rder Streuung nach der Theorie von Mie ergibt, daß sich gestreute elektromagnetische Strahlung in zwei Komponenten mit zur Beobachtungsebene senkrechter und dazu paralleler Schwingungsrichtung /ι bzw. /? des elektrischen Vektors zerlegen läßt Beide Streukomponenten /ι und h sind bestimmt durch die Streufunktion /Ί und /2, die von dem Streuwinkel &, der Teilchengröße « und dem Brechungsindex m abhängig sind.

Eine Untersuchung der Sireufunktionen /ι und k in Abhängigkeit von der Teilchengröße « bzw. des Verlaufes von /Ί = /(#) und h = /(#) mit λ als Parameter zeigt, daß im Gebiet der reinen sogenannten Raieigh-Streuung (α < 0,25) die Streufunktion i\ unabhängig von dem Streuwinkel & ist Mit wachsendem α wird die Vorwärtsstreuung (■& <90°) größer als die Rückwärtsstreuung (# >90°). Bei a> 10 ergibt sich eine Streuungsspitze in der Nähe von # ■*< 0°, die Größenordnungen größer ist als die Seiten- und Rückwärtsstreuung. Mit zunehmender Teilchengröße α wird d:; Streuungsspitze immer höher und schmaler. Die Streufunktion h weist im Bereich der Raieigh-Streuung ein ausgeprägtes Minimum bei # = 90°. Mit zunehmender Teilchengröße α wird dieses Minimum flacher. Bei großen Teilchen mit α > 10 nähert sich der Verlauf von k, besonders für Streuwinkel ft > 90°, immer mehr dem Verlauf der Streufunktion i\.

Daraus ergibt sich für den Polarisationsgrad

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 (/oder für eine Korngrößenverteilung bei Teilchen mit dem mittleren Durchmesser d die Ansprechschwelle einer Vorrichtung nach dem Extinktionsverfah."en gleich der Anspn-chschwelle einer Vorrichtung nach dem Ionisationsverfahren, so wird die Vorrichtung nach dem Extinktionsverfahren durch die Abhängigkeit vom Quadrat des mittleren Teilchendurchmessers d auf kleinere Schwebeteilchen wesentlich unempfindlicher, dafür auf größere erheblich empfindlicher reagieren. Günstiger ist demnach eine Vorrichtung, die nach dem Ionisationsverfahren arbeitet, wo eine lineare Abhängigkeit vom mittleren Teilchendurchmesser ^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 co 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 qnspricht. 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 P =

Ί - h h + h

folgendes Verhalten:

Für Teilchen von der Größe α = 1 ist der Polarisationsgrad ρ positiv und weist ein ausgeprägtes Maximum bei # = 90° auf; bei Teilchen von der Größe 1<«<5 kommen sowohl positive als auch negative Polarisationsgrade ρ vor, während bei noch größeren Teilchen nur eine geringe positive Polarisation auftritt Vereinfacht ausgedrückt läßt sich aus diesen Überlegungen ableiten, daß ρ = /(«) und damit ρ = f(3) ist Das dem Polarisationsgrad ρ proportionale Signal U_n ist dann eine lineare Funktion vom mittleren Durchmesser c/der Schwebeteilchen.

Aus der Zeitschrift »Staub«, 18,1958, Nr. 2, Seiten 37 bis 43, insbesondere Seite 42, ist bekannt, die durch Polarisationsumschaltung der Quellenstrahlung gewonnenen Streukomponenten in zueinander senkrechter Polarisation ins Verhältnis zu setzen und daraus eine Funktion in Abhängigkeit von der mittleren Teilchengröße zu gewinnen, die zunächst bei kleinen Teilchengrößen linear verläuft

Ferner ist aus der US-PS 36 12 689 eine Vorrichtung bekannt, die eine polarisierte Quellenstrahlung verwendet und aus dem Verhältnis derjenigen Streustrahlungskomponente, die bei der Streuung ihre Polarisation urn 90° gedreht hat, und der Streustrahlungskomponente mit unveränderter Polarisation eine Aussage über die Teilchengröße macht Damit bei dieser Aussige die Teilchengröße möglichst ausgeschaltet wird, ist möglichst nur die Vorwärtsstreuung benutzt, d. h., die zwei verwendeten optoelektrischen Empfänger blicken möglichst in Richtung der Strahlenquelle.

Es sind dies beides rein optische Verfahren, Aussagen über Schwebeteilchen zu machen. Beide benützen zur

Aussage den Einfluß der Streuung auf die Polarisierung von polarisierter Quellenstrahlung. Bei der Aussage selbst soll jedoch jeweils nur ein Teilchencharkateristikum berücksichtigt werden, einmal die Teilchengröße allein und einmal die Teilchenanzahl allein. ->

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der Schwebeteilchen auf rein optischem Weg nachgewiesen werden können, bei der aber ein insbesondere dem ■onisationsverfahren charakieristisches Signalverhalten in erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß folgende Merkmale vorgeschlagen:

f) Dem optoelektrischen Empfänger ist ein Umschal- '' ter nachgeschaltet, der den Empfängerausgang auf zwei Ausgänge periodisch umschaltet;

e) ein Taktgeber schaltet den Umschalter und den Polarisationsschalter synchron um;

h) die beiden Ausgänge des Umschalters sind mit zwei -'" Eingängen des Dividiergliedes verbunden;
i) ein multiplikatives Verknüpfungsglied ist an einem von zw«i Eingängen mit dem Ausgang des Dividiergliedes und an seinem anderen Eingang mit einem der beiden Ausgänge des Umschalters -'' verbunden.

Das Dividierglied liefert das Signal Up, das dem mittleren Durchmesser d der Schwebeteilchen linear proportional ist. Die multiplikative Verknüpfung des w Signals U_n mit dem an einem der Umschalterausgänge gelieferten Signal Uk, das nach der Gleichung (4) gewonnen ist mit quadratischer Abhängigkeit von d, ergibt im Falle einer Quotientenbildung als multiplikative Verknüpfung nach folgender Gleichung r,

(6)

ein Ausgangssignal, das eine lineare Abhängigkeit von -in dem mittleren Durchmesser <?der Schwebeteilchen hat, H h in dipQpm snp7ipllpn Fall vnm Produkt au«; iicind Hpr Anzahl η der Schwebeteilchen. Dabei ist durch die Indizierung angedeutet, daß zur logischen Verknüpfung mit Up beispielsweise eine der empfangenen Streustrah- a > lung proportionale Größe Us,_r verwendet wird.

Wesentlich an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß der eigentliche Nachweis auf rein optischem Weg mit der bekannten quadratischen Abhängigkeit vom mittleren Durchmesser d der Schwebeteilchen v> erfolgt, daß aber mit dem dem Polarisationsgrad ρ proportionalen Signal U_p eine Bewertung des eigentlichen Nachweissignals U_K vorgenommen wird, die je nach der multipiikativen Verknüpfung eine andere Abhängigkeit schafft Im Extremfall entsteht eine völlige Unabhängigkeit von d, wenn das Signal U_p quadriert wird und über eine Quotientenbildung mit dem Signal Uk verknüpft wird

Als vorteilhafte Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß zur Realisierung des multipiikativen Verknüpfungsgliedes der Ausgang des Dividiergliedes mit dem Steuereingang eines elektronisch steuerbaren ohmschen Spannungsteilers verbunden ist und daß der Spannungsteiler an einem der Ausgänge des Umschalters liegt so daß die zu teilende Spannung ein der Streustrahlung und/oder der an den Schwebeteilchen absorbierten Strahlung proportionales Signal Uk ist

In diesem ohmschen Spannungsteiler wird die Spannung des Signals Uk geteilt (= bewertet) nacr Maßgabe des Signals Up. Je größer dann das Signal U₁ ist, desto geringer wird die Spannung des Signals Uy geteilt. Große Schwebeteilchen polarisieren weniger deswegen wird ein durch große Schwebeteilcher verursachtes großes Signal Uk durch große Spannung* teilung relativ abgeschwächt. Dadurch wird die quadratische Abhängigkeit vom mittleren Durchmesser t/eliminiert. Eine weitere Möglichkeit, diese Verknüpfung zu realisieren, besteht beispielsweise darin, die Verstärkung eines Verstärkers für das Signal Uk nach Maßgabe des Signals U_p kontinuierlich oder stufenweise zu steuern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ausgang des Umschalters, der ein der vorzugsweise senkrecht zu der Ebene Quelle-Empfänger polarisierten Streustrahlung proportionales Ausgangssignal U\ führt, zur muiiipiikaiiven Verknüpfung dieses Signais U\ mit dem dem Polarisationsgrad ρ der Streustrahlung proportionalen Signal U_n mit dem weiteren Verknüpfungsglied verbunden. Da diese senkrecht polarisierte Streustrahlung normalerweise stets größer ist als die parallel zu der Ebene polarisierte Streustrahlung, wird der Signal/Rausch-Abstand des Ausgangssignals größer.

Eine andere Möglichkeit, die Funktionen des Dividiergliedes und des multipiikativen Verknüpfungsgliedes tu realisieren, besteht darin, daß vor der Quotientenbildung 7.u den beiden Größen Ui und U\ jeweils eine der Streustrahlung und/oder der von den Schwebeteilchen absorbierten Strahlung proportionale Größe Uk ? bzw. Uk ι addiert wird.

Zur Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für ein Anzeigegerät wird vorgeschlagen, daß dem multipiikativen Verknüpfungsglied eine Schwellwertstufe nachgeschaltet ist, die ein Signal abgibt, wenn ihr Eingangssignal eine für bestimmte Schwebeteilchengröße und/oder Schwebeteilchenkonzentration signifikante Schwelle überschreitet

Darüber hinaus ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft wenn der optoelektrische

Fmnfänupr ςη ancrpnrHnpt ist daß pr Strpustrahliino

empfängt, deren Richtung mit der der verursachenden Quellenstrahlung im wesentlichen einen rechten Winkel bildet.

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

Mit 1 ist eine optische Meßkammer bezeichnet in der sich ein Medium mit nachzuweisenden Schwebeteilchen befindet. Eine Strahlungsquelle 2, die beispielsweise aus einer Glühlampe oder Leuchtdiode im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich oder auch aus einem anderen thermischen Strahler besteht, schickt elektromagnetische Strahlung in die Kammer t. Vor die Strahlungsquelle 2 ist jedoch ein Polarisationsfilter 3 gelegt das nur Strahlung durchläßt, die in einer Ebene linear polarisiert ist Zwischen diesem Polarisationsfilter 3 und dem Medium der Meßkammer 1 befindet sich eine Flüssigkristallzelle 4, die aus einem Glasgehäuse und aus einer darin zwischen zwei Elektroden 5, 6 befindlichen Flüssigkristallsubstanz besteht Je nach dem Orientierungszustand der Flüssigkristalle bleibt die Polarisationsebene der die FlüssigkristaJlzelle 4 durchlaufenden polarisierten Strahlung entweder unverändert oder um 90° verdreht Steuern läßt sich der Orientieningszustand durch Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden 5 und 6. Eine solche Flüssigkristallzeile

arbeitet nach dem sogenannten Schadt-Helfrich-Effekt und ist beispielsweise in der DE-AS 2158 563 beschrieben. Zur Steuerung der Flüssigkristallzelle 4 sind ihre beiden Elektroden 5, 6 mit einem Taktgeber 7 verbunden Dieser schaltet periodisch die Polarisationsebene der auf das Medium auftreffenden Strahlung um 90° um. Da es sich bei der Steuerung der optischen Aktivität der Flüssigkristallsnbsi-inz um einen reinen Fi.deffekt handelt, ist der Leistungsbedarf äußerst gering.

Im rechten Winkel zur Richtung der auf das Medium auftreffenden Strahlung befindet sich ein Strahlungsempfänger 8, der die an den Schwebeteilchen im Medium zerstreute Strahlung empfängt und daraus ein elektrisches Signal erzeugt. Er besteht beispielsweise aus einer Fotodiode oder aus einem Fotowiderstand, einer Fotozelle oder aus einem thermischen Detektor usw. Ein nachgeschalteter Verstärker 9 verstärkt das erzeugte elektrische Signal. Der Ausgang des Verstärkers 3 'ühri im einem Umschalter iö, der das empfangene Signal abwechselnd auf zwei Ausgänge 11 und 12 gibt. Dies geschieht in demselben Takt wie die Ansteuerung der Flüssigkristaüzelle 4. Zu diesem Zweck ist der Umschalter 10 mit dem Taktgeber 7 verbunden, ijurch diese synchrone Steuerung liegt an dem Ausgang 11 ein Signal Uu das proportional ist dem in einer der beiden Polarisiitionsebenen liegenden Teil der Streustrahlung, am Ausgang 12 entsprechend ein Signal Ui. Dabei ist die Polarisationsebene der das Signal U\ erzeugenden Strcustrahlung vorzugsweise senkrecht zu der aus Strahlung der Strahlungsquelle 2 und empfangener Streustrahlung gebildeten Ebene. Zur entsprechenden Kennzeichnung ist symbolhaft die eine die Flüssigkristallzelle 4 verlassende polarisierte Strahlung mit Φ J. und die andere mit Φ Ii bezeichnet.

Die Ausgänge 11 und 12 führen zu einem Dividierglied 13, in dem ein der Polarisation ρ der Streustrahlung proportionales Signal U_n gebildet wird. Der Ausgang des Dividiergliedes 13 führt zum Steuereingang eines elektronisch steuerbaren ohmschen Spannungsteilers 14. Dieser ist außerdem mit dem Ausgang 11 des Umschalters 10 verbunden. Das Signal U₁ liefert als der Streustrahlung proportionales Signal Uk dadurch die zu teilende Spannung. Der Ausgang des Spannungsteilers 14 mil der geleilten Spannung führt zu einer Schwellwertsiufe 15. Übersteigt die vom Spannungsteiler 14 gelieferte Spannung den in der Schwellwertstufc 15 eingestellten Wert, dann gibt die Schwellwcrtslufe ein Signal ab, das beispielsweise zu Alarmzwecken verwendet werden kann, wenn die Schwelle signifikant ist für eine bestimmte Schwebeteilchengröße oder -konzentration.

I HI;ill

Claims (1)

JO Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum optischen Nachweis von Schwebeteilchen mit den Merkmalen: ·>

a) eine Quelle linear polarisierter elektromagnetischer Strahlung ist auf die Schwebeteilchen gerichtet;

b) ein optoelektrischer Empfänger empfängt die an den Schwebeteilchen in einem Winkel gestreute elektromagnetische Strahlung;

c) durch Einsatz eines periodisch betätigten Polarisationsumschalters ist die auf die Schwebeteilchen fallende elektromagnetische Strahlung periodisch wechselnd in der Ebene Quelle-SchwebeteOchen-Empfänger und senkrecht dazu polarisiert;

d) der optoelektrische Empfänger bildet aus den Amplituden der empfangenen elektromagnetischen Strahlungen elektrische Signale, die periodisch mit dem Polarisationsumschalter wechsein;

e) die beiden elektrischen Signale werden auf ein Dividierglied gegeben;