DE3715507A1

DE3715507A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von staubkonzentrationen in gasen oder festpartikelkonzentrationen in fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3715507A1
Application number: DE19873715507
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr Ing Radandt; Albrecht Dipl Ing Vogl
Original assignee: BERUFSGENOSSENSCHAFT NAHRUNGSM
Current assignee: BERUFSGENOSSENSCHAFT NAHRUNGSM
Priority date: 1987-05-09
Filing date: 1987-05-09
Publication date: 1988-11-17

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Messung von Feststoffen in Gasen oder Flüssigkeiten auf optoelektronischem Wege.

Herkömmliche Staubdichtenmeßverfahren bestehen in der Regel darin, daß dem zu messenden Gas definierte Volumina entnommen werden, wonach der darin enthaltene Staubanteil auf Haftfolie, Filter oder Membranfilter gesammelt und z. B. durch Gravimetrie, Photometrie des Filters oder durch Mikroskopie bestimmt wird.

Diese Meßverfahren sind umständlich und zeitaufwendig, sie sind insbesondere ungenau, nicht kontinuierlich und lassen auf Istzu stände keine sicheren Rückschlüsse zu, zwischen zwei Messungen liegende Spitzenwerte können daher so nicht erfaßt werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Messung von Staubdichten in Gasen bzw. Festpartikelkonzentrationen in Flüssigkeiten zur Ver fügung zu stellen, das in der Lage ist, kurzzeitige Spitzenwerte zu erfassen, das über einen weiten Meßbereich für Konzentrationen von 1 bis 1000 g/cm³ verfügt und Partikelgrößen zwischen 1 und 1000 Mikrometer zu messen in der Lage ist. Dabei wird eine hohe gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei direkter Messung im Medium mit Hilfe eines preis günstigen, handlichen Gerätes vorausgesetzt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Messung von Staubkonzentrationen in Gasen oder Fest partikelkonzentrationen in Flüssigkeiten auf optoelektronischem Wege durch Messung der Transmission von Meßlichtströmen, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) es werden mit Hilfe einer Lumineszenz-Diode getaktete Lichtimpulse mit einer Frequenz von f=1 bis 100 kHz ausgesendet, über eine definierte Weglänge durch das zu messende Medium geleitet und von einem Wechsellichtempfänger aufgenommen, wobei als lichtempfindliches Bauteil eine Fotodiode verwendet wird, die sich vorzugsweise in Sperrichtung geschaltet in einer Brückenschaltung befindet,
b) der der empfangenen Lichtintensität direkt proportional gemessene Sperrstrom der Fotodiode wird mit einer Eichung verglichen, die durch Dispergierung definierter Mengen des zu messenden Staubes in einer Eichflüssigkeit in einem Meßgefäß erhalten wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteran sprüchen.

Die Erfindung geht dabei von folgenden Tatsachen aus:

Beim Durchtritt durch ein mit Feststoffpartikeln beladenes Medium erfährt der ausgesandte Meßlichtstrom eine von der Feststoffpartikelkonzentration abhängige Schwächung, die durch die Ab sorption und Streuung an den Partikeln hervorgerufen wird. Das Verhältnis von empfangenem zu ausgesandtem Meßlichtstrom ist die Transmission T. Häufig wird in diesem Zusammenhang von Opazität gesprochen, was die Größe (1-T) bedeutet.

Zwischen der Transmission T und der Staubbeladung C läßt sich innerhalb gewisser Grenzen ein linearer Zusammenhang angeben. Es läßt sich das durch "Beer" erweiterte Lambertsche Gesetz anwenden:

T = exp (-E′ CL) (1)

dabei bedeuten

E′ Extinktionskoeffizient abhängig von den Eigenschaften des verwendeten Lichtes, der Eigenschaften des Staubes (Korngröße, Brechungsindex etc.) und gerätespezifischen Eigenschaften. L Lichtweg (Meßstrecke) C Staubkonzentration

Der Logarithmus des Kehrwertes der Transmission wird als Extinktion E bezeichnet:

E = ln 1/T (2)

Daraus ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Extink tion und der Staubkonzentration in der Form:

E = E′ CL (3)

Damit wäre an sich eine Erfassung von Staubdichten in Gasen bzw. eine Bestimmung von Festpartikeln in Flüssigkeiten durch Extinktions messung möglich; Versuche haben jedoch ergeben, daß die Meßgenauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit nicht genügt. Überraschenderweise hat sich aber herausgestellt, daß die Meßergebnisse genauer werden, wenn der Meßlichtstrom taktweise in Impulsen mit der oben genannten Frequenz ausgesendet wird. Es wird vermutet, daß damit die sich sehr störend auswirkenden Fremdlichteinflüsse ausge schaltet werden.

Eine zusätzliche Steigerung der Meßgenauigkeit wird durch Ver wendung von Infrarotlicht im nahen IR-Bereich, d. h., mit Wellenlängen (Maximum) bei etwa 900 Nanometern erreicht.

Als Meßlichtquelle wird hierfür vorzugsweise eine Galliumarsenid- Lumineszenz-Diode verwendet. Diese hat neben der Eigenschaft, das obengenannte Infrarotlicht auszusenden, den weiteren Vorteil eines höheren Wirkungsgrades gegenüber Lumineszenz-Dioden für sichtbares Licht. Außerdem weisen Galliumarsenid-Lumineszenz-Dioden eine hohe Impulsbelastbarkeit bei einfacher Ansteuerschaltung für den Impulsbetrieb auf.

Als Lichtempfänger wird erfindungsgemäß eine Siliciumdiode ver wendet. Diese weist ein Empfindlichkeitsmaximum im nahen Infrarot bereich auf und läßt sich hinsichtlich der Fotoempfindlichkeit, der Grenzfrequenz und der Signal-Rausch-Verhältnisse optimieren.

Empfänger und Sender sind in ein optisches System integriert, mit dessen Hilfe das Meßlicht für den Durchgang durch das zu messende Gas oder die Flüssigkeit parallelisiert und danach zum Empfänger hin fokussiert wird.

Die Empfangsdiode ist durch Polung des PN-Überganges in Sper richtung geschaltet. Vom Sender wird vorzugsweise Licht mit Strom impulsen (J max=200 mA) mit einer Frequenz f=10 kHz ausge sendet.

Durch Extinktion beim Durchgang durch das staubbeladene Medium wird das Meßlicht geschwächt. Da der Sperrstrom der Fotodiode der empfangenen Lichtintensität direkt proportional ist, ist lediglich das von der Empfangsdiode abgegebene Wechselsignal über eine Brückenschaltung abzunehmen, gegebenenfalls zu differenzieren, um tiefe Störfrequenzen zu unterdrücken und einem Operationsver stärker zuzuführen, der das Empfangssignal so verstärkt, daß es einem Anzeigeinstrument oder Pegelschreiber zugeführt werden kann.

Da der Fotostrom zur Beleuchtungsstärke über mehrere Zehner potenzen in einem linearen Zusammenhang steht, ergibt sich so ein sehr großer Meßbereich.

Die bei der Durchführung des Verfahrens verwendete Schaltung ist dem Prinzip nach in Bild 8 dargestellt.

In zwei gegenüberliegend angeordneten Rohren 5, 6 mit einem Durchmesser von etwa 10 mm befinden sich die Dioden 1 und 2. Den Dioden sind Linsen 3, 4 zugeordnet, die das von der Sendediode 1 kegel förmig ausgesendete Licht beim Durchgang parallel ausrichten und mit Hilfe einer gegenüberliegenden Linse 4 auf die Empfangsdiode 2 fokussieren.

Die Rohre 5 und 6 sind mit Glasscheiben staubdicht verschlossen. Zwischen den Rohren 5 und 6 befindet sich zur Eichung das Eich gefäß 7. Es ist mit einer Trägerflüssigkeit gefüllt, die den ein getragenen Staub weder löst noch quillt. Bei Lebensmittelstäuben wird vorzugsweise Testbenzin oder Cyclohexan verwendet. Unterhalb des Eichgefäßes wird ein Magnetrührer angeordnet, der den Inhalt aufwirbelt und so die Teilchen statistisch verteilt.

Das Meßgefäß besitzt einen Meßabstand a, dessen Maß ebenso wie der Lichtweg L grundsätzlich konstant zu halten ist.

Für die Dioden 1 und 2 können Schaltungen gemäß Bild 6 und 7 ver wendet werden.

Als Sendediode 1 ist eine Gallium-Arsenid-Infrarot-Lumineszenz- Diode des Typs LD 242 II (Siemens) und als Empfangsdiode 2 eine Silicium-PIN-Fotodiode vom Typ BPX 65 (Siemens) eingesetzt.

Die Messung im zu untersuchenden Gas ist nicht an einen festen Ort gebunden, das Gerät kann als Handgerät ausgeführt sein, so daß Staubkonzentrationsprofile über größere Räume erstellt werden können. Die Messung erfolgt außerordentlich schnell, so daß auch große und schnelle Schwankungen aufgezeichnet werden können.

Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung daher auch bei strömenden Gasen und entsprechenden Flüssigkeiten eingesetzt werden.

Soll der Meßabstand a bzw. der Lichtweg L nach der Eichung ver ändert werden, z. B. um das Gerät an Rohrleitungen anzuordnen, so sind natürlich die gerätespezifischen Korrekturfaktoren experi mentell zu ermitteln.

Nachstehend sei die Aufnahme von Eichkurven näher erläutert.

Für Staubzucker, Weizenmehl, Kakaopulver und Kartoffelstärke als Nahrungsmittelstärke, sowie für Calciumcarbonat wurden Eichkurven aufgenommen. Die Kurven sind in Bild 1 bis Bild 5 zu sehen.

Die einzelnen Meßwerte (siehe die Tabellen 1 bis 5) in Abhängigkeit der Konzentration C sind durch Kreuze dargestellt. Nach Ein gabe der Meßwerte in den Computer werden durch Regression nach der Formel

T = A exp (KC)

mit

K geräte- u. staubspezifische Konstante C Staubkonzentration in g/m³

die Kurven in die Koordinatensysteme eingezeichnet sowie die Konstanten A und K berechnet (in den Bildern angegeben).

Es ergaben sich erstaunlicherweise nur sehr geringe Abweichungen der Meßpunkte vom idealen Kurvenverlauf, wodurch das von "Beer" erweiterte Lambertsche Gesetz mit hoher Genauigkeit zutrifft. Bei halblogarithmischer Darstellung ergibt sich eine Gerade, so daß grundsätzlich für schnelle Bestimmungen die Aufnahme von zwei auseinanderliegenden Werten genügt.

Es gilt weiterhin:

T = exp (-E′CL)
K = -EL

mit

E′Extinktionskoeffizient LLichtweg

Da der Lichtweg L bekannt ist (bei den durchgeführten Versuchen 48 mm) lassen sich aus den berechneten K-Werten die staub spezifischen Extinktionskoeffizienten E′ berechnen.

In Bild 4 sind Eichkurven von Kartoffelstärkemischprodukten aufge zeichnet. Die obere Kurve repräsentiert das Urprodukt. Für die weiteren Kurven wurden Korngrößen 32 m, 63 m und 125 m ausgesiebt. Die Kurven der Korngrößen 250 m bzw. 500 m wurden nicht einge zeichnet, da sich diese mit der Kurve des Urmusters decken.

Wie zu erwarten war, ist die Lichtdämpfung für kleinere Korngrößen stärker, d. h., die Transmission nimmt hier stärker ab.

Im folgenden sei die Korngrößenverteilung dieses Produktes ange geben:

Kartoffel-Mischprodukt (Produkt Nr. 188 A)
Kornanalyse in %

Die Werte beziehen sich auf eine Feuchte von 7,1%.

Produkt:Staubzucker Meßabstand:48 mm Diodenstrom:20 mA Dispersionsmittel:Testbenzin Kuvette/Gefäß:60 ml

Tabelle 1

Staubzucker

Produkt Nr. 174: Staubzucker
Kornanalyse in %

Produkt:Weizenmehl Meßabstand:48 mm Diodenstrom:20 mA Dispersionsmittel:Testbenzin Kuvette/Gefäß:60 ml

Tabelle 2

Weizenmehl

Produkt:Kakaopulver Meßabstand:48 mm Diodenstrom:20 mA Dispersionsmittel:Testbenzin Kuvette/Gefäß:60 ml

Tabelle 3

Kakaopulver

Produkt Nr. 179: Kakaopulver
Kornanalyse in %

Produkt:Kartoffelstärke Meßabstand:48 mm Diodenstrom:20 mA Dispersionsmittel:Testbenzin Kuvette/Gefäß:60 ml

Tabelle 4

Kartoffelstärke

Produkt:Calciumcarbonat Meßabstand:48 mm Diodenstrom:20 mA Dispersionsmittel:Testbenzin Kuvette/Gefäß:60 ml

Tabelle 5

Calciumcarbonat

Claims

1. Verfahren zur Messung von Staubkonzentrationen in Gasen oder Festpartikelkonzentrationen in Flüssigkeiten auf optoelektronischem Wege durch Messung der Transmission von Meßlichtströmen, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) es werden mit Hilfe einer Lumineszenz-Diode getaktete Lichtimpulse mit einer Frequenz von f=1 bis 100 kHz ausgesendet, über eine definierte Weglänge durch das zu messende Medium geleitet und von einem Wechsellicht empfänger aufgenommen, wobei als lichtempfindliches Bauteil eine Fotodiode verwendet wird, die sich vorzugsweise in Sperrichtung geschaltet in einer Brückenschaltung be findet,
b) der der empfangenen Lichtintensität direkt proportional gemessene Sperrstrom der Fotodiode wird mit einer Eichung verglichen, die durch Dispergierung definierter Mengen des zu messenden Staubes in einer Eichflüssigkeit in einem Meßgefäß erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Meßlichtes eine Gallium-Arsenid-Diode ver wendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse mit einer Frequenz von f=10 Kiloherz aus gesendet werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgesendete Licht mit Hilfe einer Linse parallel ausgerichtet und nach dem Durchgang durch das zu messende Gas bzw. die Eichdispersion auf die Empfangsdiode fokussiert wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man das von der Empfangsdiode abgegebene Wechselsignal zur Unterdrückung niedriger Störfrequenzen differenziert und anschließend einem Operationsverstärker zuführt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung und die Eichung gleiche Meßlichtweglängen und Meßabstände verwendet werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Eichflüssigkeit ein nicht-quellendes und lösendes Medium, wie vorzugsweise Testbenzin oder Cyclo hexan eingesetzt wird.

8. Vorrichtung zur Messung von Festpartikeln oder Stäuben in Flüssigkeiten oder Gasen mit Lichtquelle und einer licht empfindlichen Meßzelle, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle und Meßzelle Dioden (1, 2) vorgesehen sind, denen Linsen (3, 4) zur parallelen Ausrichtung des Meßlichtes beim Durchgang durch das zu messende Medium zugeordnet sind, daß die Sendediode (1) über einen Taktgeber für Frequenzen von 1 bis 100 kHz angesteuert ist und daß die Empfangsdiode (2) durch Polung des PN-Überganges in Sperrichtung geschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendediode eine Gallium-Arsenid-Lumineszenzdiode mit einer Wellenlänge des ausgesendeten Lichtes bei etwa 900 nm und daß die Empfangsdiode eine Siliciumdiode ist, die in Brücken schaltung an einen Operationsverstärker angeschlossen ist.