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Me@einrichtung zur Bestimmung der Aero sol-Massenkonzentration
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Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Aerosol-Massenkonzentration
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Fernerkundung atmosphärischer Parameter mit Lasermethoden beruht
auf dem Studium der Streuung und Absorption des ausqesandten Laserlichts durch die
Molcküle und Partikel (Aerosole der Atmosphäre). Für denspezialfall der Aerosole
besteht zum Beispiel für Unweltschutz-aufgaben Interesse, wie viele Mikrogramm Aerosol
in einem Kubikmeter Luft enthalten sindj hierbei liegt ein üblicher Wert für @@rmalverschmutze
Luft bei 75 µg/m@.
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Die Radar-Method@, eine reine Zielerfassung, war eine der ersten Anwendungen
des Lasers auf diesem Gebiet. Hierbei ist Lidar die Abkürzung für Light Detection
and Ranging.Mit einem Lidar-System können beispielsweise Informationen über Aerosole
erhaltenwerden, wenn die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der Atnosphäre, insbesondere
ihre streuung an den Partikeln untersucht wird.
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Ein bekanntes, von der Anmelderin geschafferes Lidar-Symtem ist auf
der Plattfcrm eines Containers untorgebr@@@@. Es besteht aus eine@ Rubin-Riesenimpulslaser
als Sender und eines Newton-Spiegelteleskop als Empfüsger. Der vsrwendete Laser
sendet einen kursen Lichtimpüls von etwa 20 @s mit hoher Enerque in die Atmosphäre
(d.h. ein Lichtpakst von 6m Länge bei einer Enorqie von 1 Jo@le). Ditser Lichtimpuls
wandert mit Lichtgeschwindigkeit durch das Meßvolumen, das vom Sender- und Empfänger-öffnungzwinkel
gebildet wird. Der Lichtimp@le @ird durch die Atmo@phäre an Holekülon und Aerosolpartikeln
gestreut. Ein Teil, der nachrück@ärts zum Empfängerteleskop hin gostreut wird, wird
von diesem Uber einen Fotoverfielfacher empfang@n und äber eine entsprechende Elektronik
zur Anzeige gebracht. Mierbei li@gt die minimale Entfernung, @b welcher sich beide
Öffnun@swinkel von Empfänger und Laser voll überlappen und ab welcher gemessen wnrden
kann, in der Größenordnung von 150 bis 200m.
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Dieses System kann @hnlich einem Radar-System, dreh- und neigbar ausgeführt
werden. Mit dem beschriebenan Lidar-System kann die folgonde Gleichung gelöst werden@
F(R)= F0.G. 1/R2 . 2-2 (R).F(r) Dor ompf@ngene Strahlungsstrom r(R) ist proportional
gum ausgesandt@n Strahlungsstrom F0, proportional zur Geometriefunktion G des gystems,
proportional zum Rückstreuwert f(ä) und ungekehrt proportional z@r Entfernung R
im Quadrat. Der Verlustterm 2-2(R) beinhaltet die Extinktionsverlsste auf dem Ein-
und Rückveg. Da in dies@r Gleichung außer f(@) und 2-2(@) alles Konstante sind,
kann mit dem bokannten Lidar-Syst@m also direkt der Einfluß des Aerosols gemessen
werden.(Annalen der Mstereologie (N.F) Mr. 9 (1974), und DF@LR mobile l@dar syst@m,
Rev. Sci. Instrum. 48, 19 77 stn. 247 bis 251).
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Das Beschrisbene, auf einem LKW untergebrachte Lidar-System ist, obwohl
es gegenüber stationäron Anlag@n schon erhebliche Vorteile mit sich bringt, im@er
noch sehr gro@ und im Aufbau sehr komplizi@t, so daß @s im Grunde geno@@@n nur von
wissenschaftlern und Angehörigen von phy@ikali@chen Instituton bedient und betri@ben
verden kann. Obendrein müssen aufgrund der durch den großon Laser bewirkton, elektromagsetinchen
Störungen auf der Seite der Dstenerfassw@g, d.h. @mpfangsseitig, Abachirmmaßnahmen,
z.@. eine Abschirmkabine, vorgesehen verden.
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A@fgabe der grfindung ist e@ daher, eine konpakte, einfach bedienbare
und tragbare Keßeinrichtung zur Besti@@ung der Aerosol-Kassenkone@ntration ru schaffen,
bei welcher die Signalaufbereitung derart verbessert ist, daß Reichweiten ersielt
werden, die @it dem beschrieben@m Container-Lidarsystem verglsichbar sind.
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Diese A@fgabe ist gemäß der Erfindung darch die Merkmale imkennzeich@enden
@eil des anspr@chs 1 gelöst.
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@ei der erfindunqsgemäßen Meßeinrichtung führte die Signalerfassung
mittels Pbotodioden sum Weyfall der für Fotomultiplier motw@ndig@n @ochspaonunq,
der Somnon- bsw. Überlastschutsmaßnab@en und der teuron Interferenzfilter. Obendrein
kann die erfindungsgemgße @eßeiaricht@mg beispielsweise mit der Satteriespann@@@
eines PKW-Kombis betrieb@n werdan. Fer@er köanen viel kle@@ere Lasar mit einer gerimgen
Ausgasgsleistung (von nur einigen @@) verwe@det werde@, die viel geriagere Störungen
hervorrufen und obendrein ohne r@sätsliche @ühlaggregate betrieben werden köen@@.
D@rch die bei der Erfindu@g angew@ndte Mittelung mit @ilfe eines sob@@llen Mittelwertbilders
kö@nen die mit gro@@n Syste@@@ erreichtare@ Ergobmisse er@ielt werden. Dar@ber hi@@@s
kö@sen die Keßergeb@is@e mittels klei@er Mikroproses@oron, bei@pielsveise mittels
klei@er, preiswerter Ti@chrechner mit einer @@tsprechend@@ Seftwnre a@sgewertet
wer@@@.
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Ka@hfolgend wird die Erfindung a@b@@d der @eichnungen im ein-@ela@@
erlä@tert. @s @eige@@
Fig. 1 ein Beispiel eines möglichen Einsatzes
der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung zur Messung der von Kraftfahrzeugen emittierten
Verbrennungsrückstände; Fig. 2 Lidar-Echos eines Einzelsignal (Kurve a) und eines
Mittelwerts Über 20 Einzelsignale; und Fig. 3 die derverwendeten Fotodiode nachgeschaltete
Verstärker schaltung.
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In Fig. 1 ist das Noßpriniip dargestellt. Beis Messen von partikelförmigen
Verunreinigungen in der Luft werden Spannungssignale U in Abhängigkeit von der Entfernung
R erhalten, die nach folgender Gleichung bestimmt werden: ß@2 U(R) = G R Hierbei
ist der Rückstreukoeffizient ß (Einheit m-1) ein Maß für die Aerosolkonzentration;
2-2 gibt die Extinktionsverluste des Laserlichts und des rückgestreuton Lichts auf
den Weg zum Aufpunkt und zurück an (2 # 1). Die jeweilige Aufpunktentfernung ist
R, wobei wegendes Hin- und Rückweges des Lichts 150m Entfernung einer Laufzeit von
i@s entsprechen. G ist die Systemkonstante, die die Laserausgangsleistung und die
optischen Konstanten des Systems erhält, sowie Geometriewerte wie Spiegeldurchmesser
und Impulslänge. Für einen Öffnungswinkel des Empfängers von 8 mrad wurde die Systemkonstante
bestimmt zu G = 4,3 . 109 Vm3. Bei einer bekannten Systemkonstanten G und ftlr eine
feste Aufpunktentfernung R wird dann des Signal proportional zu Aerosolkonzentration
m, nämlich U ~ m (µg/m3).
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Die für die Auswertung der empfangenen Signale erforderliche Datenerfassungsanlage
bestcht aus einem schnellen Analog-Digital
-Wandler mit Speicher,
einem schncllon Mittelwertbildner und eisem Tischrechner; eine derartige Datenerfassungsanlage
kann ohne woiteres in einen PKW-Kombi untergebracht werden.
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Um mit diese@ kompakten System Reichweit@n zu erzielen, die vergleichbar
mit den gro@@n Cont@iner-Lidar-Systemen sind, mu@ die Signalaufbereitung @ntsprechend
verbessert werden.
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Hierbei wird zur Aufnah@e des Laser-Echo-Signals ein schneller Kchtzeit-Analog-Digitalwandler
herangezogen, der eine m@ximale Auflö@ung der Zeitachse in Intervallen von 10 ns
er@öglicht.
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Die digitalisierten Werte der an@logen Eingangsfunktion werden einem
Hauptspeicher zuçeführt, der beipielsveise 1048 8Bitworte aufn@hmen kann. Di@ größte
Eapfindlichk@it des Eingangsverstärkers li@gt bei 50 mV. Mittels eines digital arbeitenden
Abfrag@geräts kann diese Infornation worts@riell in andere Datenverarbeitungsanlagen
Übertragon werden.
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Im allge@@inen ist dieses System durch die zwar hohe, jedoch in vielen
Fällen nicht ausreichende Eingang@@mpfindlichkeit des schnellen Analog-Digitalvandlers
und durch die 8Bit-Aoflösung g@geben. Durch Anvendung der Mittelwertbildung kann
@@@ch die Auflösung auf mathematisch technischem Weg verbessert werden. Die Kauschanteile,
die einem @utzsignal Überlagert sind, treten in Frequenz, Phase und Amplitude vorwiegend
statistisch auf. (Siehe hierzu die Kurve a eines Ein@elsignals in Fig. 2) Dagegen
zeigt das Kutzsignal einen q uasi-statischen Charakter, wenn nur ein kleiner Zeitbereich
betrachtet wird. Bei der erfindungsgemäßen Meieinrichtung werden daher mehrere Messungen
des gleichen @@tznigmals noch einmal vorgeno@@en und diese einander additiv Überlagert.
Aufgrund der Kau@chverteilung @ddiere@ sich da@n n@mlich viele Rauschanteile rum
@ert @ull, w@hrend das Mutzsignal ständig aus dem Rauschen herauswächst.
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(Siebe hierzu K@rve b in Fig. 2).
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Dies kann mit Eilfe eines sch@ellen Mittelwsrt-Bildners erreicht verden,
der im wesentlichen aus einem Addierwerk, einem möglichst
großen
Rechenspeicher und einer sehr schnellen Operationselektronik besteht, die es ermöglioht,
bis zu 500 Additionen von 2048 8Bit-Worten/sek durchzuführen. Beispielsweise lassen
bei der Verneinung einer Abgaswolke unter Berückzichtigung von praktisch erreichbaren
Windgeschwindigkeiten etwa 20 Messungen noch keine deutliche Veränderung der Zielstruktur
erkennen. Wach 20 Additionen eines stark v@rrauschten Signals erscheint jedoch ei
Ausgang des@schnellen Mittelwertbildners bereits ein deutlich erkennbares und technisch
auswertbares Signal, da@u@inem Monitor als Analogfunktion betrachtet werden kann.
(Siehe hierzu die Kurve b in Fig. 2) Der Additionsspeicher des Mittelver@bildners
verfögt über eine Rechenkapazität von 16 Bit/Wort, was einem Zahlenbereich von O
bis 65535 entspricht.
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Mach beendigung der Aufzeichnung können die Summenwerte wortseriell
einem Rechner zugeführt verden. Dies geschient im Hanusuake-Verfahren Über eine
genormte Schnittstelle (IEEE 488 BUS). Als Rechner kann beispielsweise der Personal
Computer PET 2001 verwendet werden. Die zur Auswertung erforderliche Softw@re ist
auf einez Kassette aufgezeichnet. Sämtliche Bedienungsfunktionen des Mttelwertbildners
lassen sich Über die Rechnertastatur f@@nsteuern. Ferner ist das Programm derart
ausgelegt, daß der Anwender in der Lage ist, in kürzester Zeit aus den vom Mittelwert-Bildner
Übermittelten Wertten nach Eingabe aller Li@ar-System-Parameter fertig errechnete
Ergebnisse der Aero@ol-Konzentration in Abhängigkeit von der Meßentfernung auf einem
sum Rechner gehörenden Bildschirm abzlesen. @@ Eierbei wird von dem Rechner aus
den Summenwerten des Mittelwert-Bildners der echte Mittelwert durch Division mit
der Meßzyklenzahl ermlttelt. Einmml elngelesene Werte können beliebig oft in frei
wählbaren Eatfernungsbereichen untersucht werden.
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Zur Archivierung aufgezeichneter Daten kan ferner ein Drocker verwendet
werden. Dadurch ist auch der Nachteil derWiedergabe auf einem Monitor beseitigt,
wo aufgrund der Bildschirmgröße nur
25 Datenzahlen mit 40 Zeichen
dargestellt werden können. Zur späteren Kontrolle und Mach@erechnung kann die Datenkassette
abgelegt werdes.
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Die Kurve a in Fig. 2 zeigt als Beispiel ein Einzelsignal eines Lidar-Echos
in Abhängigkeit von der Entfernung R.
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Das Signal U ist virrauscht und es ist neben der 1/R2 -Abhänqigkeit
ein Anwachsen des Signals in einer Entfernung von 800 m zn erkennen. Die Meßeinrichtung
war nä@lich in der Mähe aines Parkplatzes eines Großbetriebs sufgestellt und es
@llte eine Krhöhung der Eu@konzentration bei Dienstschl@ß beim Starten der geparkten
Wagen festgestellt verden. Die Knrve b in Fig. 2 gibt den Mittelwert äber 20 derartiger
Eiaselsignale vieder, @o daß hierdurch dentlich die Wirkungsweise des gemi@ der
Erfindung verwesdeten Mittelvert-@ildners de@onstriert ist.
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Die Kessungen vurden in kurze@ Abst@nd jewells Über 20 Ecbos gemittelt,
vährend dergrößten De@eg@mgen auf dem Park@@stz d@rchgeführt.
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In Fig. 3 ist eine bei der erfisdang@gem@@en Meßeinrichtung verwendete
Photodiode A dargestellt, deren Kathode mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers
vorbunden ist, dessen A@sgssg Über einen Viderstand @7 und einen Kondensator C2
mit einem Verstärker (sc3401) verb@nden ist, welchem zur Anpassung ein Emitterverstärker
nachgeschaltet ist, Der Emitterverstärker weist einem @p@-Tran@1stor T1, Widerstände
RS bis R@@ sovie einen Kondensator C3 auf, die, @o vie is der Zeichnung @iedergegebe@,
ge@cheltet si@d. Sur Einstellung der Empfindlichkeit sind zvischen den nsqativen
Einqang und den Ausgang des Operationsverstärkers Widerstände R1 bis $6 @chaltbar,
die Über einem Wählechalter und entsprechend erreqbare Relais anschaltbar si@d.
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Die Unterschiede zwischen einer mobilen Container-Lidar-Einrichtung
und der tragbaren Lidar-Meßeinrichtung sovie die mit letzterer erzielbaren Vorteile
sind @us der folgenden Vergleich Container- tragbare Lidar Lidar-Meßeinrichtung
Laser Rubin N@odym-Glas Wellenlänge 0.6943 µm 1,06µm Leistung 80 MW 3 MW Energie/Impuls
1 Joule 0.1 Joule Wiederholfrequenz 1 Hz 1Bz Energie@essung ja ja Größe 130 x 12
x 20 25 x 10 x 12 Kühlung ja nein Gesamtgevicht 700kg 20kg Enpfänger: Teleskopdurchmesser
20cm 12cm Detektor Fotonultiplier Fotodiode Versorgungsspannung 500 bis 1000v Batterie-Rochapa
spannung Filter Interferenzfilter keines Verstärker ja ja Datenerfassung: abgeschirmte
Kabine ja nein Interface ja ja Mittelwertbild@er Magnetband ja sein Rechnor Crolrechner
Tischrechner HP2100 Per@onalcomputer PET 2001 Ende der Beschreitung