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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft eine mobile Meßsonde zur Feststellung der Rauchdichte
bzw. Staubkonzentration mittels der Extinktion von Licht, wobei das von einer Quelle
ausgehende Licht eine Wegstrecke durch einen Strom von Aerosolen oder Partikeln
durchläuft und der durchgehende Anteil von einem Detektor aufgenommen wird.
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Beim Durchgang durch ein staubbeladenes Gas (Aerosol) wird ein Lichtstrahl
der Intensität Io auf einen Wert I geschwächt. Io ist auch die Intensität am Detektor,
wenn das Gas staubfrei ist. Der Ausdruck E = ln (Io/I) wird als Extinktion bezeichnet.
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Es gilt E = α . Cn . x wobei x die optische Weglänge des Lichtstrahls
im Aerosol ist, C die Anzahl der Aerosolpartikeln pro n Volunieneinheit und a der
durchschnittliche Extinktionsquerschnitt der Partikeln.
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Die Einzelwerte a sind abhängig von der Größe, Form und Material der
Partikeln und von der Wellenlänge des Lichts.
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Es ist daraus zu ersehen, daß die Messung der Extinktion immer nur
das Produkt a C liefert, so daß bei der n Anwendung dieses Meßprinzips eine Kalibrierung
auf das
jeweilige Aerosol nötig ist. Dies ist grundsätzlich so und
nicht an eine bestimmte Bauform gebunden. Nur in seltenen Spezialfällen ist eine
genaue Berechnung der Kalibrierfunktion ohne Messung möglich.
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Artverwandte Extinktionsfotometer sind unter dem Namen Rauchdichtemeßgerät
bzw. Staubkonzentrationsmeßgeräte auf dem Markt (Fa. Sick oder Durag). Die Extinktion
von Licht durch ein Aerosol ist ein Maß für die Konzentration des Aerosols, wobei
allerdings noch weitere Parameter eingehen. Alle derartigen Geräte bedürfen daher
der regelmäßigen Kalibrierung. Die erwähnten Geräte sind typgeprüft für den Einsatz
zur Emissionsüberwachung von Großfeuerungsanlagen; sie sind sehr robuste, großvolumige
Geräte, die aus zwei an gegenüberliegenden Stellen des Rauchgaskanals anzubringenden
Einheiten bestehen.
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Diese kommerziellen Geräte weisen jedoch die Nachteile auf, daß sie
für manche Anwendungen zu groß und schwer bzw. nicht mobil sind. Außerdem weist
ihre optische Meßstrecke für hohe Aerosolkonzentrationen eine zu große Länge auf.
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Die an die Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, eine
mobile Meßsonde zu bieten, mit der eine kontinuierliche Probenahme unter erschwerten
Bedingungen, wie z.B. hohe Massenkonzentrationen von größer 1 g/m³, erhöhte Temperatur
(bis 1500C) und Druck (4 bar), gesättigte Wasserdampfatmosphäre und tagelange Unzugänglichkeit,
durchgeführt werden kann.
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Die Lösung isterfindungsgaß gekennzeichnet durch die Merkmale des
Anspruches 1.
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Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen
der Erfindung wieder.
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Die erfindungsgemäße Extinktionsfotometersonde weist die besonderen
Vorteile auf, daß sie sehr kompakt, klein und handlich ist. Sie bedarf weiterhin
keiner vor-Ort-Justierung, da alle optischen Teile in einem Gehäuse starr zueinander
angebracht sind. Die Optik wird durch die verwendete Lichtquelle sehr vereinfacht;
als Lichtquelle dient eine Leuchtdiode, die fast monochromatisch und sehr klein
ist. Der Strom- und Spülgasverbrauch ist sehr niedrig, wodurch eine tragbare Ausführung
des ganzen Gerätes - auch mit Batteriebetrieb - entsteht, die an beliebigen Stellen
von z.B. Rauchgaskanälen, bevorzugt quer zur Strömungsrichtung, eingesetzt werden
kann.
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Es ist auch der Einsatz der Meßsonde in Reaktoranlagen möglich.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels der Figuren 1 und 2 näher erläutert, wobei die Figur 1 einen Längsschnitt
dadurch die Meßsonde mit Optik, die Figur 2 einen Längs schnitt durch die Meßsonde
zenit Spülgasführung und die Figur 3 einen mit ihr durchgeführten Meßschrieb darstellen.
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Die in der Figur 1 im Längs schnitt dargestellte Meßsonde weist einen
einfachen Aufbau auf. Sie besteht vorzugsweise aus einem zylinderförmigen Gehäuse
1 mit der Aclse 16. In einem Mittelbereich 2 sind zwei Durchtrittsöffnungen 3 (gestrichelt,
weil senkrecht zur Zeichenebene angeordnet) mit rechteckigem Querschnitt sich gegeniberliegend
in der Wandung des Gehäuses 1 vorgesehen, durch die der Strom 4 mit Aerosolen oder
Partikeln hindurchtritt.
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Dieser Mittelbereich 2 wird von den beiden Endbereichen des Gehäuses
1 mittels zweier Lochblenden 22, 23 getrennt. Im einen Endbereich ist die fokussierende
Optik 6 für das Licht 9 aus der Lichtquelle 5 untergebracht, wobei das Licht 9 von
der Linse 6 und der Lochblende 22 nahezu parallel ausgerichtet wird und den Strom
4 parallel zur Achse 16 des Gehäuses durchsetzt. Das durchgedrungene Licht 10 wird
wiederum von der Lochblende 23 auf die optische Linse 8 gerichtet, die es auf das
Lichtleiterende 11 eines Lichtleiters 12 fokussiert. Der Lichtleiter 12 ist mit
einer nicht näher dargestellten Auswerteeinheit verbunden. Sein Lichtleiterende
11 selbst ist über die Scheibe 24 im Gehäuse 1 vorzugsweise auf die Achse 16 zentriert
und gehaltert.
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In der Figur 2 ist der gleiche Längsschnitt dargestellt, jedoch aus
Gründen der Ubersichtlichkeit der optische Strahlengang 9, 10 weggelassen worden.
HierFür ist aber der Verlauf eines Spülgases 21 eingezeichnet, welches die Optiken
6, 8, die Lichtquelle 5 und das Lichtleiterende 11 von Partikeln aus dem Strom 4
freihält. Das Spülgas 21 tritt in den Gehäuseinnenraum 26 ein und wird durch
die
Bohrung 25 in der Scheibe 24 sowie die Durchtrittsbohrungen 17, 18, die Längsbohrungen
14 und 15 in der Gehäusewandung und die Durchtrittsbohrungen 19, 20 in die beiden
Endbereiche des Gehäuses 1 möglichst gleichmäßig eingebracht. Der Verlauf der Spülgasteilströme
ist mittels Zeilen skizziert. Das Spülgas 21 umströmt u.a.
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die Linsen 6, 8 und tritt danach durch die Lochblenden 22, 23 in den
Mittelbereich 2 ein, wo es vom Strom 4 aufgenommen wird. Spülgasdruck und -menge
sind derart bemessen, daß keine Partikeln aus dem Strom 4 an die optischen Teile
5, 6, 8 und 11 gelangen. In einem der Längsbohrungen 14 sind weiterhin die Zu- und
Abführungen 27, 28 für die Lichtquelle 5 verlegt.
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Die Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf (in min.) der Intensität
I, wie sie von dem Lichtleiter 12 aufgenommen wurden. Die beiden Messungen 29 und
30 sind von einer Unterbrechung 31 getrennt, die beweist, daß beim Wiedereinsetzen
der Messung (Teil 30) eine Konstanz gewahrt bleibt. Die Optik wird demnach nicht
verschmutzt.
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Obwohl von den Geräteparametern nur die Länge x in die Extinktion
eingeht, muß auf parallelen Strahlengang 9, 10 des Lichts im Aerosol 4 geachtet
werden, um Verfälschungen der Meßwerte durch Lichtstreuung klein zu halten. Ideal
geeignet wäre zwar Laserlicht und jede Optik 6, 8 könnte entfallen. Für den vorliegenden
Zweck scheidet ein Laser als Lichtquelle 5 aus verschiedenen Gründen aus (Größe,
thermische Stabilität etc.).
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Vorteilhaft ist eine möglichst kleine Lichtquelle 5, um Abbildungsfehler
klein zu halten. Dies ist umso wichtiger, je kleiner die Baugröße des Gerätes 1
sein soll. Die verwendete Leuchtdiode 5 ist sehr klein (Gehäuse 6 mm und besitzt
eine relativ hohe Leuchtdichte vonv 100 mCd.
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Die Zeitkonstanz ist gut, weniger vorteilhaft ist die Temperaturabhängigkeit
der Ausgangsleistung (Wahrscheinlich wäre es noch günstiger, Lampe 5 und Detektor
11, 12 außerhalb zu montieren und zwei Lichtleiter zu verwenden; das ergäbe eine
noch kleinere Aüsführung).
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Wegen der kleinen Lichtquelle 5 kann dann der ganze Aufbau klein gehalten
werden. Damit wird ein Meßbereich höherer Konzentration bei gleicher Extinktion
erreicht, da die Länge x klein ist. Die kleine Bauform ist also nicht nur handlicher,
sondern geradezu notwendig, wenn hohe Aerosolkonzentrationen gemessen werden sollen.
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Wichtig ist noch die Spülluftführung 17 bis 26. Um das Aerosol von
den Linsen 6, 8 fernzuhalten, werden sie von Reinluft umströmt. Die Grenze zwischen
Aerosol und Spülluft liegt an den Blenden 22, 23, die Durchmesser von 10 und 16
mm aufweisen. Ein Spülluftstrom von 5 1/min ist ausreichend bei Aerosolströmungsgeschwindigkeiten
von 2 m/s.
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Die Spülluftführungskanäle 14, 15 sind in die Gehäusewände eingefräst
und nehmen auch die Stromzuführungen 27, 28 für die Leuchtdiode 5 auf. Für einen
Prototyp könnten z.B. die Spülluftrohre als tragendes Element dienen und ebenso
die Stromzufuhr übernehmen.
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Die Auskopplung des optischen Signals erfolgt mit dem Lichtleiter
12 zu einem Halbleiterfotodetektor. Das Gehäuse 1 kann aus Einzel- bzw. Steckteilen
bestehen.