DE2830974A1

DE2830974A1 - DEVICE FOR MEASURING PARTICLE CONCENTRATION IN AIR

Info

Publication number: DE2830974A1
Application number: DE19782830974
Authority: DE
Inventors: Norman Green
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1977-09-26
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1979-04-05
Also published as: FR2404215A1; GB2005404A; JPS5458078A

Description

Vorrichtung zum Messen der Teilchenkonzentration in LuftDevice for measuring the particle concentration in air

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration von Teilchen in einem Fluidstrom und insbesondere zum Messen der Konzentration von Staubteilchen in Luft.The invention relates to a device for measuring the concentration of particles in a fluid stream and in particular for measuring concentration of dust particles in air.

bzw. Kohle— In Kohlengruben, wo in der Luft enthaltener Kohlenstaub · Teilchenor coal - In coal mines where there is coal dust in the air · Particles

fH Ω V¹ c4~ C3 "1 "1 DPIfH Ω V ¹ c4 ~ C3 "1" 1 DPI

eine Gefahr für Gesundheit und Sicherheit " ,,ist es üblich, ein tragbares Filter und eine Luftpumpe zu verwenden, die von einem Arbeiter getragen werden können. Die Pumpe saugt Luft durch das Filter, in dem der Staub abgelagert wird. Der Zuwachs des Filtergewichtes pro Zeiteinheit ist ein Maß für die durchschnittliche Staubkonzentration. Das Filter und die Pumpe liefern jedoch keine Realzeitmessung der Staubkonzentration, da sie über eine relativ große Zeitdauer getragen werden müssen. Für Realzeitmessungen wird ein anderes Instrument verwendet, bei dem eine Lichtquelle, ein Fotodetektor und eine dazwischen angeordnete Lichtauffangeinrichtung verwendet werden. Mit Staub geladene Luft wird durch die Luftauffangeinrichtung hindurchgesaugt, die so angeordnet ist, daß Staub in der Luft das Licht auf den Fotodetektor reflektiert. Enthält die Luft keinen Staub, so sollte kein Licht den Fotodetektor erreichen. Somit ist zumindest theoretisch die Menge des auf den Fotodetektor auftreffenden Lichtes und somit dessen Ansprechwert proportional der Menge des Staubes in der Luft. Derartige Gerätea health and safety hazard ",, it is common to use a portable filter and an air pump that is from one Workers can be carried. The pump draws air through the filter, where the dust is deposited. The increase in the filter weight per Time unit is a measure of the average dust concentration. However, the filter and pump do not provide real-time measurement of the Concentration of dust, as they have to be worn over a relatively long period of time. Another instrument is used for real-time measurements, in which a light source, a photodetector and a light intercepting device are used. Loaded with dust Air is drawn through the air trap, which is arranged so that dust in the air sheds light on the photodetector reflected. If the air does not contain dust, no light should reach the photodetector. Thus, at least in theory, the amount of incident light on the photodetector and thus its response value proportional to the amount of dust in the air. Such devices

9098U/0635 - ⁴ -9098U / 0635 - ⁴ -

sind jedoch schwierig zu eichen und relativ ungenau, da es schwierig und teuer ist, eine absolute Lichtauffangeinrichtung zu bauen, die zur Erzeugung einer guten Meßempfindlichkeit erlaubt, daß genügend Licht vom Staub durch sie hindurch reflektiert wird.however, they are difficult to calibrate and relatively imprecise because it is difficult and it is expensive to build an absolute light interceptor which allows enough to produce good measurement sensitivity Light from the dust is reflected through them.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Vorrichtung zum Überwachen der Staubkonzentration in einem Aerosol geschaffen werden, die eine Ablesung auf praktisch einer Realzeitbasis liefert.The present invention aims to provide a device for monitoring the concentration of dust in an aerosol that provides a reading on a virtually real-time basis.

Die Erfindung ist in Anspruch 1 näher gekennzeichnet.The invention is characterized in more detail in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements of the invention are set out in the subclaims specified.

Durch die Erfindung wird eine Realzeit-Staubüberwachungseinrichtung geschaffen, bei der gekreuzte Lichtpolarisatoren verwendet werden, die zwischen sich einen Zwischenpalarisationsbereich bilden. Eine Lichtquelle richtet Licht hintereinander durch beide Polarisataren auf einen Fotodetektor. Da die Polarisataren gekreuzt polarisiert sind, erreicht normalerweise nahezu kein Licht den Fotodetektor. Wenn jedoch ein reflektierendes Teilchen wie zum Beispiel Staub in den Zwischenpolarisationsbereich gelangt, wird polarisiertes Licht, das auf das Teilchen auftrifft, entpalarisiert, und es kann dann durch den zweiten Polarisator hindurch zum Fotodetektor gelangen. Die Menge des auf den Fotodetektor auftreffenden Lichtes ist somit ein Maß für die Staubkonzentration im Zwischenpalarisationsbereich.The invention provides a real-time dust monitor created, in which crossed light polarizers are used, which form an intercalary area between them. A source of light directs light one after the other through both polarizers onto a photodetector. Since the polarisatars are crossed polarized, usually reached almost no light the photodetector. However, if a reflective particle such as dust enters the intermediate polarization area polarized light that strikes the particle is depolarized, and it can then pass through the second polarizer get through to the photodetector. The amount of light hitting the photodetector is therefore a measure of the dust concentration in the Intermediate Palarization Area.

9098U/06359098U / 0635

28303742830374

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet somit auf dem Prinzip polarisierten Lichtes.The device according to the invention thus works on the principle polarized light.

Anhand der einzigen Figur, die in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, wird dia Erfindung näher erläutert. The invention is explained in more detail with the aid of the single figure, which schematically shows an exemplary embodiment of the invention.

Die wesentlichen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in einem Gehäuse 10 enthalten. Die genaue Form des Gehäuses 10 bildet natürlich keinen wesentlichen Teil der Erfindung, sondern wurde lediglich zu Veranschaulichungszwecken gewählt. Die Vorrichtung besitzt eine - vorzugsweise gerichtete - Lichtquelle 12, die innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet ist. Licht 12a von der Lichtquelle wird von einer Linse 14 gesammelt und gelangt durch einen Polarisator 16 in einen Zwischenpolarisationsbereich 18, der an seinem Umfang von dem Gehäuse 10, am einen Ende vom Polarisator 16 und am anderen Ende von einem Polarisator 20 begrenzt wird. Der Polarisator 20 ist bezüglich des Polarisators 16 gekreuzt polarisiert, so daß normalerweise Licht innerhalb des Zwischenpolarisationsbereiches 18, das durch Strahlen 12b dargestellt ist, bezüglich des Polarisators 20 gekreuzt polarisiert wird, so daß nur ein extrem kleiner Teil des Lichtes durch den Polarisator 20 hindurchtreten kann.The essential parts of the device according to the invention are in one Housing 10 included. The exact shape of the housing 10 forms, of course does not form an integral part of the invention but is presented for illustrative purposes only chosen. The device has a — preferably directed — light source 12, which is arranged inside the housing 10 is. Light 12a from the light source is collected by a lens 14 and passes through a polarizer 16 into an intermediate polarization region 18, at its periphery by the housing 10, at one end by the polarizer 16 and at the other end by a polarizer 20 is limited. The polarizer 20 is cross-polarized with respect to the polarizer 16, so that normally light is within the intermediate polarization range 18, represented by rays 12b, is cross-polarized with respect to the polarizer 20 so that only one extremely small part of the light can pass through the polarizer 20.

Der Zwischenpolarisationsbereich ist praktisch strömungsmitteldicht, abgesehen von einer Einlaßöffnung 28 und einer Auslaßöffnung 30. EinThe intermediate polarization area is practically fluid-tight, apart from an inlet port 28 and an outlet port 30. A

9098U/06359098U / 0635

28303742830374

teilchentragendes Strömungsmittel, zum Beispiel staubige Luft, das durch die Pfeile 28a und 30a angedeutet ist, wird van einer schaltbaren Pumpe (nicht gezeigt) in die Einlaßöffnung 28 hinein, durch den Zwischenpolarisationsbereich hindurch und aus der Auslaßöffnung 3D heraus gepumpt.particle-carrying fluid, for example dusty air, the is indicated by the arrows 28a and 30a, one is switchable Pump (not shown) into inlet port 28, through the intermediate polarization region, and out of outlet port 3D pumped out.

Es sei nun angenommen, daß ein vom Strömungsmittel mitgenommenes Teilchen, zum Beispiel das Teilchen 26, sich in dem Zwischenpolarisationsbereich 18 befindet. Ein polarisierter Lichtstrahl, der auf das Teilchen auftrifft, wird entpolarisiert, und somit können die reflektierten Strahlen 26a durch den Polarisator 20 hindurchtreten. Diese Strahlen, die auf diese Weise den Polarisator 20 durchdringen, werden von einer Sammellinse 24 gesammelt und auf einen Fotodetektor 26, zum Beispiel sine Fotodiode oder ein Fototransistor, fokussiert. Das Ansprechsignal des Fotodetektors 26 wird von einem Verstärker 28 verstärkt und auf einem Meßgerät 30 wiedergegeben, dessen Ablesung ein Maß für die Teilchenkonzentration innerhalb des Zwischenpolarisationsbereichs 18 darstellt. It is now assumed that a particle entrained by the fluid, for example particle 26, is in the intermediate polarization region 18 is located. A polarized light beam that hits the particle is depolarized, and thus the reflected Beams 26a pass through polarizer 20. These rays which penetrate the polarizer 20 in this way, are of a Collective lens 24 and focused on a photodetector 26, for example sine photodiode or a phototransistor. The response signal of the photodetector 26 is amplified by an amplifier 28 and on a measuring device 30 reproduced, the reading of which is a measure of the particle concentration represents within the intermediate polarization range 18.

Allgemein ausgedrückt, kann jede Quelle elektromagnetischer Strahlung als Quelle 12 benutzt werden, solange sie eine Eigenschaft innerhalb eines definierten Bereiches annehmen kann, die sie normalerweise daran hindern würde, den Bereich zu verlassen oder einen Detektor durch einen Filter zu erreichen, deren Eigenschaft jedoch geändert wird, wenn ein Teilchen in den Strahlengang gelangt, so daß sie mit ihrer neuenGenerally speaking, any source of electromagnetic radiation can be can be used as the source 12 as long as it can take on a property within a defined range that it normally attaches to would prevent leaving the area or a detector by one Achieve filter, the property of which is changed, however, when a particle enters the beam path, so that they are with their new

9098U/0S3S9098U / 0S3S

Eigenschaft durch das Filter hindurchtreten kann. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist natürlich die Eigenschaft, die die Strahlung innerhalb des oben erwähnten Bereiches annimmt, die Polarisierung in einer bestimmten Richtung, und die neue Eigenschaft, die sie annimmt, wenn der Strahlengang uon einem Teilchen unterbrochen wird, ist die Entpolarisierung, wobei das Filter ein Polarisator ist, der bezüglich der ersten Eigenschaft querpolarisiert ist.Property can pass through the filter. With this one Embodiment is of course the property that the radiation assumes within the above-mentioned range, the polarization in a certain direction, and the new quality it takes on, if the beam path is interrupted by a particle, this is Depolarization, the filter being a polarizer which is transversely polarized with respect to the first property.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die bevorzugte Lichtquelle eine gewöhnliche Glühbirne, zweckmäßigerweise von hoher Lebensdauer, und die Polarisatoren sind aus dichroitischem Film. Der Extinktionsfaktor (Schwächungsfaktor), das heißt, das Verhältnis der Lichtstärke des den Zwischenpolarisationsbereich betretenden Lichtes zu der Lichtstärke des Lichtes, das den Zwischenpolarisationsbereich durch den Polarisator 20 in der Abwesenheit von Entpolarisierungseinflüssen verläßt, kann inIn the preferred embodiment, the preferred source is light an ordinary light bulb, conveniently of long life, and the polarizers are made of dichroic film. The absorbance factor (Attenuation factor), that is, the ratio of the light intensity of the light entering the intermediate polarization area to the light intensity of the Light that passes through the polarizer 20 in the absence of depolarization influences can be used in

5
diesem Fall ungefähr 10 betragen. Kristallpolarisatoren sind ebenfalls verwendbar, und sie liefern größere Extinktionsfaktorsn; Kristallpolarisatoren sind jedoch wesentlich teurer als dichroitische Polarisatoren, und somit ist ihr Einsatz, zumindest zur Zeit, beschränkt auf Anwendungszwecke, bei denen eine größere Sensitivität erforderlich ist. 5
in this case should be about 10. Crystal polarizers are also useful and they provide greater extinction factors; However, crystal polarizers are significantly more expensive than dichroic polarizers and thus their use is limited, at least for the time being, to applications where greater sensitivity is required.

Natürlich sind verschiedene Abwandlungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann die Lichtquelle 12 ein impulsgesteuerter Galliumaluminiumarsenid-Laser, so etwa der RCA model C30012, sein. Diese Art von Lichtquelle hat eine Sp'itzen-Gesamtstrahlungs-Of course, various modifications are possible without leaving the scope of the Invention to leave. For example, the light source 12 can be a pulse-controlled gallium aluminum arsenide laser, such as the RCA model C30012. This type of light source has a peak total radiation

909814/0636-909814 / 0636-

leistung von ungefähr 3 Watt. Natürlich müssen die Polarisataren kompatibel mit der Lichtquelle sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert ein Polaroid Corporation Polarisationsfilter Typ HR power of about 3 watts. Of course, the polarizers must be compatible with the light source. In the present embodiment, a Polaroid Corporation supplies HR type polarizing filters

einen Extinktionsfaktor von ungefähr 1 χ 10 .an absorbance factor of approximately 1 χ 10.

909814/0635909814/0635

Claims

THE BENDIX CORPORATION Executive Officec Bendix Center Southfield, Michigan 48075 / USA M-4670 July 11, 1978 claims

1.) Device for monitoring the dust concentration of an aerosol, with a light source, a photodetector and a device which directs the light from the light source onto the photodetector, characterized by two polarization filters (1S, 2O) which are arranged at a distance from one another and which cross each other are polarized and are arranged between the light source (12) and the photodetector (26) so that essentially no light from the light source (12) normally impinges on the photodetector (26), and means (28,30) for passing the Aerosol between the two polarization filters (16.2O).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the aerosol comprises coal dust particles in an air stream.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that that the polarization filter (16.2O) has two polarizers dichroic film.

-Z--Z-

9098U / 063Ö

ORIGINAL INSPECTED

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the polarizing filters (16, 20) are two crystal polarizers.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the light source (12) is a gallium aluminum arsenide laser.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the laser is intermittently excited.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized

electronic,. / - "" ■ ". .... by a circuit (.28J and exne display device

(30), the amount of incident on the photodetector (26) Show light.

- 3

90981A / 0835