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Einrichtung zur optischen Messung der Rauchdichte
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur optischen Messung
der Rauchdichte mit einem Strahler am Anfang einer von den Rauchgasen quer durchströmten
Meßstrecke und einer Empfängereinrichtung am Ende der Meßstrecke.
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Derartige Meßeinrichtungen, die als Einstrahl- bzw. Zweistrahl-Photometer
anzusehen sind, wenn ein Vergleichsstrahlengang vorgesehen ist, werden hauptsächlich
zur Uberwachung der dem Absorptionsgrad der Gase in der Meßstrecke proportionalen
Rauchdichte bzw. des Staubgehalts in den Abgaskanälen industrieller Prozesse eingesetzt.
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Bei den in der Praxis vorkommenden, relativ langen Meßstrecken in
der Größenordnung von einigen Metern wird durch Schlierenbildung der schnell strömenden,
heißen Rauchgase eine nicht mehr vernachlässigbare, unregelmäßige Strahlablenkung
des Meßstrahls zwischen Strahler und Empfänger verursacht, wie auch, bei größeren
Strahlquerschnitten, eine über die Querschnittsfläche uneinheitliche und wechselnde
Strahlintensität Da bei den üblichen Rauchdichte-Meßeinrichtungen überdies im Empfänger
nur ein Teil des von dem leicht divergierenden Meßstrahl übertragenen Lichtstroms
ausgenützt wird, führen die Strahlablenkungen und -schwächungen je nach Länge der
Meßstrecke, der Rauchgasführung und -temperatur zu erheblichen Verfälschungen des
Meßergebnisses.
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Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Einrichtung der eingangs genannten
Art so zu verbessern, daß der von der Schlierenbildung herrührende Einfluß auf das
Meßergebnis weitgehend verringert wird, wobei die Einrichtungen ohne
aufwendige
Änderungen für die Mehrzahl der in der Praxis vorkommenden Verhältnisse verwendbar
sein sollen.
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Eille Lösung dieser Ausgabe wird in einer Linrichtung gesehen, die
durch einen Strahler mit eng gebündeltem Meßstrahl gekennzeichnet ist, dessen Strahldurchmesser
mindestens zwei dezimale Größenordnungen kleiner ist als die Länge der Meßstrecke
und bei der die Empfängereinrichtung den aus der Meßstrecke einfallenden Lichtstrom
wenigstens annähernd vollständig auswertet.
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Als Strahler hoher Energiedichte mit eng gebündeltem Strahl lassen
sich vorzugsweise Laser einsetzen. Weitere Möglichkeiten bestehen im Einsatz von
Gasentladungs-Blitzlampen mit Bündelungsoptik oder von Edelgas-Hochdrucklampen,
z. B. Xenon-Kurzbogenlampen.
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Infolge der- engen Bündelung des von dem Strahler ausgehenden Meßstrahls
können Empfängereinrichtungen vorgesehen werden, die gewährleisten, daß der durch
die Meßstrecke tretende Lichtstrom auch bei Strahlablenkungen von dem in der Empfängereinrichtung
vorhandenen photoelektrischen Wandler nahezu vollständig ausgewertet wird. Der veränderbare
Querschnitt der Eintrittsöffnung läßt dabei eine Anpassung an die Gegebenheiten
der Meßstrecke zu.
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Die Empfängereinrichtung besteht vorzugsweise aus einem Hohlraum mit
diffus reflektierender Innenfläche nach Art einer Ulbricht'schen Kugel, deren Eintrittsöffnung
so groß gewählt ist, daß der eng gebündelte Meßstrahl auch bei den größten, durch
empirische Beobachtung feststellbaren Ablenkungen voll in den Hohlraurn fällt und
von dem darin befindlichen photoelektrischen Wandler in ein entsprechendes elektrisches
Signal umgesetzt wird.
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Eine andere Empfängereinrichtung besteht aus einer Sammellinse mit
genügend großer Eintrittspupille, in deren Brenn-bzw. Bildpunkt ein Halbleiter-Photodetektor
mit Cosinusblehlerkorrekt,
ur angeordnet ist. Uei Linsenbrennweiten,
die um 1 bis 3 Zehnerpotenzen kleiner sind als die Länge der Meßstrecke, lassen
sich sehr kompakte Empfängereinrichtungen aufbauen.
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Eine Abwandlung dieser Empfängereinrichtung benutzt statt der Sammellinse
eine Streuscheibe, wobei eine Korrekturfolie in der Nähe der Streuscheibe die Cosinus-Korrektur
besorgt.
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Intensitätsschwankungen des Strahlers wie auch der Einfluß von Verschmutzungen
der Durchtrittsfenster beiderseits der Meßstrecke können in bekannter Weise durch
die Zweistrahl-Photometermethode mit Vergleichsstrahl und anschließender Quotientenbildung
kompensiert werden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, bei kontinuierlichem Betrieb
der Strahler das statistisch um einen Mittelwert schwankende elektrische Ausgangssignal
der Meßeinrichtung mit Hilfe eines nichtlinearen Filters zu glätten oder die Strahler
impulsweise zu betreiben und aus den Ausgangsimpulsen des photoelektrischen Wandlers
durch Integration einen Mittelwert zu bilden. Das Tastverhältnis der Meßstrahl impulse
kann dabei an die voraussichtliche Änderungsgeschwindigkeit der Rauchdichte fallweise
angepaßt werden.
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Bei vorübergehend auftretenden großen Meßstrahlablenkungen gewonnene,
vom Mittelwert stark abweichende Meßwerte können optisch durch entsprechende Einstellung
des Eintrittsquerschnitts der Empfängereinrichtung und/oder durch Einschalten eines
Begrenzers bei der elektrischen Auswertung unterdrückt werden. Eine ringförmig um
die.Empfängereinrichtung gelegte photoelektrische Sensoreinrichtung kann für die
Steuerung der elektrischen Unterdrückung der Auswertung eingesetzt werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur 1 ein Ausführungsbeispiel
der Rauchdichte-Meßeinrichtung schematisch dargestellt. Figur 2 zeigt eine Ausführungsform
einer photoelektrischen Empfängereinrichtung gemäß der Erfindung.
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Figur 1: Zur Messung der Rauchdichte der in einem Rauchgaskanal 1,
beispielsweise einem Schornstein, strömenden, heißen Rauchgase R, ist eine Einrichtung
zur Messung der Transmissionsverluste eines von einem Strahler 2 ausgehenden Meßstrahls
6 in der quer zur Strömungsrichtung der Rauchgase R verlaufenden Meßstrecke L vorgesehen.
In der optischen Achse des eng gebündelten Meßstrahls 6 ist auf der gegenüberliegenden
Seite des Rauchgaskanals 1 eine Empfängereinrichtung 3 angeordnet mit einem photoelektrischen
Wandler 4 zur Umsetzung des aus der Meßstrecke L einfallenden Lichtstroms in ein
entsprechendes elektrisches Signal.
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Infolge der Schlierenbildung in den die Meßstrecke L durchströmenden
Rauchgasen R wird der durch das Fenster 5 eintretende Meßstrahl 6 in unkontrollierbarer
und unregelmäßiger Weise abgelenkt, so daß bei den bekannten Einrichtungen jeweils
nur ein wechselnder Teil des durch die Meßstrecke L tretenden Lichtstroms von der
Empfängereinrichtung 3 verwertet wird.
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Um dem abzuhelfen, ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der von
dem Strahler 2 ausgehende Meßstrahl 6 so eng gebündelt, daß der Durchmesser des
Strahlquerschnitts mindestens zwei dezimale Größenordnungen kleiner ist als die
Länge der Meßstrecke L, womit die Möglichkeit gegeben wird, den durch den Meßstrahl
übertragenen Lichtstrom empfängerseitig unabhängig von der Strahlablenkung wenigstens
annähernd voll in ein elektrisches Signal umzusetzen.
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Als Strahler 2 eignen sich insbesondere Laser, die einen eng gebündelten
Strahl hoher Energiedichte abgeben.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Xenon-Hochdrucklampen
mit Bündelungsoptik, die ebenfalls eine Strahlung hoher Energiedichte und mit breitem
Frequenzspektrum abgeben, was für bestimmte Messungen von Vorteil ist.
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Es können auch Gasentladungs-Blitzlampen mit Bündelungsoptik im Strahler
2 verwendet werden, die von einem Impulsgeber 7 angesteuert werden. Die Pulsfrequenz
des Impuls-
gebers 7 kann relativ niedrig gewählt werden. Sie ist
der voraussichtlichen Änderungsgeschwindigkeit der Rauchdichte im Störfall anzupassen.
Um Lichtstromschwankungen der Strahler 2 zu kompensieren, kann eines der bekannten
photometrischen Zweistrahl-Verfahren mit einem Vergleichsstrahlengang angewendet
werden, wie mit dem Strahlenteiler 8 und dem abgezweigten Vergleichsstrahl 9 angedeutet
ist.
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Auf der Empfängerseite sind Vorkehrungen zu treffen, daß der kaum
divergente, aber sich in einem gewissen Raumwinkel um die optische Achse bewegende
Meßstrahl 6 nach seinem Durchtritt durch die Meßstrecke L lichtstrommäßig möglichst
vollständig verwertet wird. Dazu ist es notwendig, daß die wirksame Fläche eines
photoelektrischen Wandlers 4 in der Empfängereinrichtung 3 immer voll und gleichmäßig
mit einer dem eintretenden Lichtstrom entsprechenden Beleuchtungsstärke ausgeleuchtet
wird. Dies kann-beispielsweise dadurch geschehen, daß die Empfängereinrichtung 3
in ihrer Eintrittsöffnung eine Sammellinse 10 aufweist, deren Brennweite um 1 bis
3 Zehnerpotenzen kleiner ist als die Länge der Meßstrecke 11 und in deren Brennpunkt
bzw. Bildpunkt ein Halbleiter-Photodetektor mit Cosinus-Fehlerkorrektur, z. B. durch
eine aufgesetzte Linse, angeordnet ist. Zur Anpassung an die örtlichen Gegebenheiten
kann die Eintrittspupille der optischen Empfängereinrichtung 3 mit Hilfe einer Blende
11 verändert und eingestellt werden, so daß in Verbindung mit der kurzen Brennweite
der Eintrittssammellinse 10 die Empfängeranordnung in einem weiten Bereich unterschiedlicher
Meßstreckenlängen einsetzbar ist.
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In'dem auf den photoelektrischen Wandler 4 folgenden Auswertegerät
12 kann das Meßsignal, beispielsweise durch Vorsehen eines nichtlinearen Filters,
von überlagertem Rauschen befreit werden. Es ist auch möglich und vorteilhaft, bei
gepulstem Betrieb eine Mittelwertbildung über eine Reihe von Ausgangsimpulsen des
photoelektrischen Wandlers 4 vorzunehmen.
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In Figur 2 ist eine andere Ausführungsform einer Empfängereinrichtung
3 dargestellt. Es handelt sich um einen einfach herzustellenden kubischen oder zylindrischen
fIohlraum 13, der nach Art einer Ulbricht'schen Kugel mit einem weißen, diffus reflektierenden
Innenanstrich versohen ist und an seiner Vorderseite ein EintrittsSenster 14 ausweist,
dessen Querschnitt mit Hilfe einer Blende 11 verändert werden kann. Der Meßstrahl
6 tritt in den Hohlraum 13 ein und wird dort mehrfach reflektiert. Mit Hilfe eines
in einer Seitenwand angebrachten photoelektrischen Wandlers 4 wird die dem eintretenden
Lichtstrom proportionale Beleuchtungsstärke eines gegenüberliegenden Wandabschnitts
in bekannter Weise gemessen, wobei der Wandler 4 in einem Tubus 15 so angeordnet
ist, daß er nicht von dem durch das Eintrittsfenster 14 einfallenden Licht direkt
getroffen werden kann.
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Werden als Strahler 2 Laser mit sehr -energiereicher Strahlung verwendet,
ist es vorteilhaft, anstelle des normalerweise aus einer planparallelen Glasplatte
bestehenden Eintrittsfensters 14 ein schwach streuendes Bauelement, beispielsweise
eine Konkavlinse oder eine Streuscheibe, zu setzen, um Beschädigungen oder Veränderungen
des Innenanstrichs im Bereich des Strahlauftreffpunkts zu verhindern.
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Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Empfängereinrichtung
3.>In der Eintrittsöffnung eines mit lichtabsorbierender Innenfläche ausgestatteten
Hohlraums 23 ist eine in einen annähernd halben Raumwinkel abstrahlende Streuscheibe
24, eine verstellbare Blende 11 und eine Korrekturscheibe 25 mit einer den Cosinus-Fehler
kompensierenden Transmissionsverteilung angebracht. Gegenüber der Eintrittsöffnung
ist. der photoelektrische Wandler 4 angeordnet.
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8 Patentansprüche 3 Figuren
Zusammenfassung Einrichtung
zur optischen Messung der Rauchdichte Einrichtung zur optischen Messung der Rauchdichte
mit einem Strahler hoher Energiedichte und einem Strahlquerschnitt, dessen Durchmesser
um mindestens zwei dezimale Größenordnungen,kleiner ist als die Länge der von den
Rauchgasen quer durchströmten Meßstrecke und mit einer photoelektrischen Empfängereinrichtung
am Ende der Meßstrecke, die den aus der Meßstrecke einfallenden Lichtstrom wenigstens
annähernd voll auswertet und mit einstellbarer Eintrittsöffnung versehen ist. Als
Strahler werden Laser, Gasentladungs-Blitzlampen oder Edelgas-Hochdrucklampen benützt,
als Empfängereinrichtungen Hohlräume nach Art Ulbricht'scher Kugeln, mit Eintrittsoptik
kurzer Brennweite in Verbindung mit einem photoelektrischen Wandler mit Cosinus-Fehlerkorrektur
oder mit Streuscheibe, Mit der Einrichtung lassen sich die durch Schlierenbildung
der quer durch die Meßstrecke strömenden Rauch gase verursachten Meßfehler verringern.
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FIG 1
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