DE3049153C2 - Einrichtung zur Bestimmung der Aerosol- und/oder Staubbeladung von Gasen mit Hilfe eines radioaktiven Strahlers - Google Patents

Description

— daß als Strahler ein α-Strahler,

— daß als Fühler eine auf einem Plättchen (Chip) (8) angeordnete Halbleiterspeichermatrix (5) der nichtabsorbierten α-Strahlung ausgesetzt ist, und

— daß an die Halbleiterspeichermatrix (5) ein Auswerteschaltkreis angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Plättchen (Chip) (8) auch die Schaltkreise für das Zählen und/oder Integrieren untergebracht sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Halbleiterspeichermatrix (5) ein Rückstell-Schaltkreis (13) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Aerosol- und/oder Staubbeladung von Gasen mit Hilfe eines radioaktiven Strahlers, dessen Strahlung innerhalb eines Meßvolumens entsprechend der Beladung absorbiert wird, sowie mit einem Fühler für die Strahlung, dem ein elektrischer Schaltkreis nachgeordnet ist.

Aus der DD 64 597 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur kontinuierlichen Kontrolle des Flugstaubgehalts in Gas- und Luftleitungen bekannt. Die betreffende Leitung wird mittels einer energiearmen Gammastrahlung durchstrahlt. Die Schwächung der Strahlung durch im Gas enthaltene nichtgasförmige Bestandteile wird als Maß für deren Anteil benutzt. Als Gamma-Strahler wird ein die Gammastrahlung emittierendes Radioisotop benutzt, das Strahlungsenergien zwischen etwa 6 und 15 keV aussendet.

Derartige hochenergetische Radioisotope unterliegen einschränkenden Vorschriften und sind auch relativ gefährlich zu handhaben. Der Strahlungsdetektor muß im allgemeinen ein Geiger-Müller-Zählrohr enthalten, das mit hohem Vakuum arbeitet und daher relativ störanfällig und kostspielig ist. Der Meß- und Schaltkreis muß üblicherweise ein Hochspannungsschaltkreis sein, der ebenfalls kostspielig ist.

Es stellt sich damit die Aufgabe, insbesondere zum Bau einfach konstruierter und zuverlässiger Rauchmelder, Filterbelastungsanzeiger und ähnlicher weit verbreiteter Geräte, mit denen eine Gaszusammensetzung meßbar ist, eine Einrichtung anzugeben, die im Ruhezustand wenig Strom benötigt, aus preiswerten Einzelteilen bzw. Schaltkreisen herzustellen ist und eine einfache und zuverlässige Meßauswertung erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, die Einrichtung der eingangs genannten Art mit folgenden Teilen auszustatten:

— Als Strahler wird ein α-Strahler verwendet;

— als Fühler wird eine auf einem Plättchen (Chip)

angeordnete Halbleiterspeichermatrix verwendet, die der nicht-absorbierten α-Strahlung ausgesetzt ist, und

— an die Halbleiterspeichermatrix schließt sich ein Auswerteschaltkreis an.

α-Strahlen sind eine Teilchen-Strahlung und bestehen aus sehr schnellen Heliumkernen mit der Kernladungszahl 2. Ihre kinetische Energie liegt zwischen 4,6 bis ίο 10,4MeV. Die Reichweite der α-Strahlen in festen Stoffen liegt in der Größenordnung weniger μηι. In Gasen, beispielsweise Luft, beträgt die Reichweite einige Zentimeter, wobei sie stark von der Beladung mit Feststoffen, d. h. Aerosolen oder Stäuben, abhängt. Unter Aerosolen werden feinverteilte Flüssigkeitsteilchen und unter Stäuben feinverteilte Feststoffe in Gasen verstanden. Darüber hinaus ändert sich das Absorptionsverhalten auch r.iit der Gaszusammensetzung, jedoch nicht so signifikant.

Es sei allerdings angemerkt, daß es bereits bekannt ist, α-Strahier in Rauchmeldern zu verwenden. Hierbei wird die Veränderung des Widerstandes zwischen zwei Elektroden gemessen, zwischen denen ein Ionisationsstrom fließt Bei Anwesenheit von Rauch wird der lonisalionsstrom verstärkt, da die α-Strahlen einen größeren Wirkungsquerschnitt vorfinden. Die Stärke des lonisationsstromes ist jedoch sehr stark von der Luftfeuchte abhängig, obwohl diese Größe im allgemeinen nicht auf eine Veränderung der Beladung von Gasen hinweist, die gemessen werden soll.

Die Verwendung von Plättchen (Chips) mit darauf angeordneter Halbleiterspeichermatrix wird, wie bekannt, heutzutage in vielen Rechenanlagen verwendet. Man bezeichnet derartige Rechner als Mikroprozessoren oder Chips. Eine Beschreibung und Abbildung eines derartigen Chips findet sich in der Zeitschrift »Spektrum der Wissenschaft«, Heft 8/1979, auf Seite 90. Derartige Chips sind üblicherweise mit einem Halbleiter-Speicher ausgestattet, der beispielsweise eine Kapazitä* von 16 000 Bits besitzt. Mit Hilfe der Steuer- und Lese-Logik können alle Bits des Speichers auf einen Wert Null gesetzt werden. Wenn die hochenergetischen α-Strahlen auf einzelne Speicherzellen auftreten, ändert sich deren logischer Inhalt in eine binäre Eins. Durch einfaches sequentielles Ablesen, anschließendes Addieren oder Integrieren, kann zu einem bestimmten Zeitpunkt festgestellt werden, wieviel Speicherzellen durch die α-Strahlen geändert wurden. Geht man davon aus, daß bei reinen Gasen die Durchlässigkeit am größten ist (Bezugswert 100), so kann gefolgert werden, daß bei Beladung der Gase ein Teil der α-Strahlung absorbiert wird, so daß der Bezugswert auf einen Wert < 100 absinkt.

Hierzu ist erforderlich, daß periodisch die Halbleiterspeichermatrix immer wieder auf Null gesetzt wird (»refreshing«). Um diese Zustandsänderung zu erzeugen, ist der Halbleiterspeichermatrix ein Rückstell-Schaltkreis zugeordnet.

Die Meßzeiten können mit Hilfe eines Taktgebers beliebig lang eingestellt werden, so daß sich dieselbe Meßanordnung für verschiedene Meßaufgaben eignet.

Insbesondere ist daran gedacht, die Einrichtung dazu zu verwenden, die Beladung eines aus einem Filter strömenden Gases zu messen, um eventuell eine übermäßige Staubbelastung feststellen zu können.

Ein Vorteil der genannten Meßanordnung ist. daß die an sich bekannten Speicher mit beliebigen, auch hochkomplizierten elektrischen Schaltkreisen verbun-

den werden können, so daß die Auswerteschaltkreise, z. B. Zähl- und Integrationskreise, auch ohne weiteres mit auf dem Plättchen untergebracht werden können. Einzelheiten derartiger Schaltkreise sind beispielsweise in dem Buch: »Mikrocomputer in der Prczeßdatenverarbeitung«, W. Martin, Hanser-Verlag. München, Wien, 1977, zu entnehmen.

Bei dem Speicher handelt es sich üblicherweise um einen dynamischen RAM-Speicher (Random Acress Memory), dem eine konventionelle TTL (Transistor-Transistor-Logik) nachgeschahet werden kann. Bei dem RAM handelt es sich um Signalspeicher mit jederzeit möglichen, beliebigem Zugriff jeder Speicherzelle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt das Schema der Figur.

In einer Strahlungsdichten Meßkammer 1 ist in einem kleinen kleinen Metallblock 2, z.B. aus Messing, ein α-strahlendes Isotop 3 untergebracht. Die ganze Anordnung ist in zwei spiegelbildlich gleichen Blöcken Γ, 1" aus Kunststoff eingebaut, wobei jeder Block beispielsweise etwa die Größe einer üblichen Streichholzschachtel hat. Bei dem Isotop handelt es sich beispielsweise um Americium 241 oder Radium 226. Die durch eine in den Kunststoffblöcken Γ, 1" eingelassene Leitung 4 ankommenden Gase werden in das Meßvolumen 6 der Kammer eingebracht und durchströmen dieses in kontinuierlichem Fluß. Durch eine Ausgangsleitung 7 gelangen die Gase wieder in den Kreislauf. Eine Kontamination findet nicht statt.

Gegenüber der Strahlungsquelle 3 ist ein Plättchen 8 auf einer Trägerplatte 9 montiert und der a-Strah'ung ausgesetzt. Der Abstand von der Strahlungsquelle 3 bis zum Plättchen 8 beträgt beispielsweise 2,5 cm. Das Plättchen 8 trägt auf einem Teil seiner Fläche eine Halbleiter-Speichermatrix 5, deren gesamte Fläche nur wenige mm² beträgt und 16 000 Einzelzellen (Speicherplätze) umfaßt. Auf dem Plättchen 8, das einen Mikroprozessor darstellt, sind die außerhalb des Mikroprozessors gezeichneten Schaltelemente mit aufgebracht. Es handelt sich um einen Rückstell-Schaltkreis 13, der auch Taktgeber ist, und der beispielsweise zu bestimmten Zeiten den Inhalt des Speichers auf dem Plättchen 8 jeweils wieder auf 0 stellt. Zu beachten ist, daß nur die Halbleiter-Speichermatrix 5 der Strahlung ausgesetzt sein sollte. Die übrigen elektronisch aktiven Teile des Speichers sind gegen α-Strahlung durch eine dünne Metallfolie (nicht dargestellt) abgeschirmt.

Das sequentiell abgerufene Signal, also der Speicherinhalt, wird über einen Verstärker 14, einen Integrationskreis 15 bzw. Zählern 16 integriert oder gezählt. Die ermittelten Werte können über ein Anzeigeinstrument 17 oder über eine ZaHenanzeige 18 eines getrennten Anzeigeinstrumentes aufgenommen werden. Es ist auch möglich, bei Überschreiten einer bestimmten Staubbeladung, d. h. Unterschreiten der Strahlungsintensität durch Absorption an erhöhter Beladung, einen Alarmschaltkreis 20 zu betätigen, wie dies an sich bekannt ist. Außerdem ist eine Spannungsversorgung 21, z. B. 5 V Gleichstrom-Batterie, erforderlich. Zu bemerken ist, daß die Teile 14 bis 16 ohne weiteres auf dem Plättchen 8 integriert werden können.

Zu Beginn der Messung wird durch den Rückstell-Schaltkreis die gesamte Halbleiterspeichermatrix auf 0 gesetzt. Die den Speicher erreichende α-Strahlung ändert diese Informationen. Der Lesevorgang findet also keine »Nullen« mehr vor, sondern je nach Intensität der einfallenden α-Strahlung, die umgekehrt proportional der Beladung der Luft ist, mehr oder weniger »Einsen«.

Die Auswerteelektronik kann ohne weiteres als Einchip-Kleinrechner hergestellt werden, der die gesamte Auswertefunktion übernimmt. Bei Warte-Funktion der Meßeinrichtung wird kaum Strom verbraucht. Insgesamt bietet damit die neue Einrichtung sehr viele Vorteile, die bisher nicht auf diesem Gebiete möglich waren. Ein weiterer Vorteil ist, daß eine große Anzahl derartiges· Staubmelder mit einer registrierenden Zentraleinheit gekoppelt werden kann. Mit Hilfe dieser Zentraleinheit, die nach und nach alle gekoppelten Meßeinrichtungen abrufen kann, läßt sich auch für größere Gebäudeeinheiten ein preiswertes Rauchmelder-Überwachungssystem einrichten. Analog gilt dies für die Überwachung von Filtern, Exhaustoren und ähnlichen Einheiten.

Das Nachlassen der Intensität der α-Strahlung im Laufe der Zeit ist wegen der langen Halbwertszeit der verwendeten Isotope (bei Americium 241 beispielsweise 430 Jahre), vernachlässigbar klein. Für bestimmte Fälle kann jedoch auch dieses durch die Elektronik berücksichtigt werden. Hierzu ist lediglich erforderlich, daß durch einen weiteren Zähler die Zahl der Schaltvorgänge addiert wird und durch eine entsprechende elektronische Filteranordnung die nachlassende Intensität berücksichtigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Aerosol-und/ oder Staubbeladung von Gasen mit Hilfe eines radioaktiven Strahlers, dessen Strahlung innerhalb eines Meßvolumens entsprechend der Beladung absorbiert wird, sowie mit einem Fühler für die Strahlung, dem ein elektrischer Schaltkreis nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,