DE3938617A1

DE3938617A1 - Verfahren und vorrichtung zur extinktionsmessung in einem aerosol

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Publication number: DE3938617A1
Application number: DE19893938617
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1989-11-21
Filing date: 1989-11-21
Publication date: 1991-05-29

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der relativen Mas senkonzentration eines Aerosols mit Hilfe eines Extinktions photometers unter Ausnutzung des Lambert Beer′schen Gesetzes bzw. der absoluten Massenkonzentration nach der Kalibrierung des Photometers mit gravimetrischen Verfahren sind hinreichend bekannt. Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale bei den di versen Verfahren und Vorrichtungen sind die Wellenlänge des verwendeten Lichtes, die optische Weglänge, der optische Auf bau, sowie die eingesetzten Komponenten für Sender und Empfän ger. Zur Freihaltung der Optik vor Partikelniederschlägen werden zumeist mit Reinluft gespülte Fenster eingesetzt.

Beim Einsatz von Photometern in sehr hohen Massenkonzentrati onen, z. B. im Bereich < 1 g/m³ und mehr, kann es vorkommen, daß diese Maßnahme keine ausreichende Sicherheit bietet, un erwünschte signalverfälschende Partikelniederschläge auf der Optik zu verhindern. Insbesondere dann, wenn das eingesetzte Photometer über einen längeren Zeitraum in einer nicht zugänglichen Umgebung betrieben wird, sollte es daher möglich sein, in gewissen Zeitabständen eine Nullpunktüberprüfung vorzunehmen, d. h. die Intensität ohne Aerosol zu überprüfen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Extinktionsmessung anzugeben, das es gestat tet, die Nullpunktintensitätsüberprüfung in verschmutzter At mosphäre durchführen zu können. Ferner soll eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens angegeben werden.

Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet die Bestimmung und Über prüfung der Nullpunktintensität durch Messung der Intensitäten bei zwei unterschiedlichen optischen Weglängen im Meßmedium. Man gewinnt auf diese Weise in verschmutzter Atmosphäre unter der Voraussetzung, daß sich während der Intensitätsmessung in nerhalb der beiden Weglängen der Extinktionskoeffizient, d. h. die Massenkonzentration und die Anzahlgrößenverteilung nicht ändern, zwei Intensitäten, deren jeweilige Extinktionen bezogen auf die Nullpunktintensität sich nur um das Längenverhältnis der beiden Weglängen unterscheiden. Somit kann die Nullpunkt intensität leicht aus den beiden Intensitätswerten errechnet werden und mit einem Sollwert, der vorab in üblicher Weise bestimmt wird, verglichen werden.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß diese Überprüfung ohne direkten Zugriff auf die Meß vorrichtung vorgenommen werden kann. Somit sind Langzeitmessun gen auch in stark verschmutzter Atmosphäre unter Überprüfung und Verwendung des jeweils ermittelten Nullpunktwertes möglich.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens kann einfach ausgebildet werden, indem z. B. ein verwen deter Reflektor rechnergestützt zwischen zwei definierten Posi tionen verschoben wird. Um eine handliche Vorrichtung zu ge währleisten, die auch unter extremen Temperaturbedingungen und Schmutzeinwirkungen zuverlässige Extinktionswerte liefert, ist sie von Lichtsende- und -empfangseinheit vorzugsweise über Fiberoptik getrennt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Aus führungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens von oben und

Fig. 2 die Vorrichtung aus Fig. 1 von der Seite.

Im Ausführungsbeispiel erfolgen die Lichtein- bzw. -auskopplung über Fiberoptik (angedeutet bei 4) von der Lichtquelle (nicht dargestellt) bzw. zum Detektor (nicht dargestellt). Das Photo metergehäuse 2 enthält eine Optik zur Erzeugung eines Paral lelstrahles. Das Photometergehäuse wird zur Verhinderung von Kontaminationen unter Überdruck gehalten. Die gespülten Fenster sind bei 5 angedeutet. Der Parallelstrahl 6 wird mit Hilfe eines bei 1 angedeuteten Reflektors (corner cube) umgelenkt und (angedeutet bei 7) wieder in das Photometergehäuse 2 ge leitet, bei 9 fokussiert und in die Eintrittsstelle 8 der Fiberoptik eingekoppelt.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß der Reflektor auf einem pneumatisch beweglichen Kolben 3 angeordnet ist, der zur Überprüfung der Nullpunktintensität rechnergesteuert ein- bzw. ausgefahren wer den kann.

Die Fiberoptik 8 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die Em pfangsfiberoptik durch einen größeren Fiberdurchmesser Strahl verschiebungen, z. B. aufgrund von temperaturbedingten Deju stagen ausgleichen kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kolben 3 ferngesteuert mit Hilfe eines nicht dargestellten Rechners pneumatisch in zwei definierte Endpositionen gefahren, die zwei optischen Weglängen l₁ und l₂ entsprechen. Im Ausfüh rungsbeispiel beträgt l₁ als Abstand zwischen dem Reflektor 1 und dem Gehäuse 2 etwa 10 cm und l₂ als geänderter Abstand 30 cm. Die beiden gemessenen Intensitäten I₁ und I₂ (bzw. die hierzu proportionalen Spannungswerte) sind, vorausgesetzt, daß sich Massenkonzentration und Anzahlgrößenverteilung im Meßmedium während dieser Messung nicht ändern, durch die fol genden Extinktionen, bezogen auf die Nullpunktintensität I_₀ ausdrückbar:

Da der Extinktionskoeffizient Σ_ex in beiden Ausdrücken gleich ist, läßt sich I₀ durch einfache mathematische Umformung be stimmen und aus I₁, I₂ und l₁, l₂ errechnen. Der ermittelte Wert für I₀ aus

wird mit dem Sollwert für I₀ verglichen, der vor der Messung im aerosolfreien "sauberen" Medium in üblicher Weise bestimmt wurde. Bei Nichtübereinstimmung der Werte im Fall irgendeiner Verschmutzung oder auch anders (z. B. temperaturbedingt, alte rungsbedingt oder durch Dejustierung verursacht, bedingter Nullpunktverschiebung wird der so bestimmte I₀-Wert für die weiteren Messungen zugrunde gelegt. Die Extinktionsmessung E = ln (I₁/I₂) ergibt immer den wahren Extinktionswert bezogen auf die Länge L = l₂-l₁.

Die gezeigte Anordnung arbeitet mit einem Reflektor, einem pneumatisch verschiebbaren Kolben und zwei Kolbenstellungen. Es sind jedoch auch Anordnungen ohne Reflektor denkbar, bei denen der Empfänger selbst z. B. auf einem Schlitten in gegebe nenfalls auch mehr als zwei definierten Positionen bewegt wird. Auch eine Fiberoptik mit getrennter Sende-Empfangsanordnung ist nicht zwingend erforderlich.

Eine rechnergesteuerte Verschiebung des Reflektors bietet den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Ermittlung der wahren Extink tion bezogen auf die Länge L = l₂-l₁ bzw. die Überprüfung der Nullpunktintensität automatisch in vorgegebenen Zeitinter vallen vorgenommen werden können.

Claims

1. Verfahren zur Extinktionsmessung in einem Aerosol, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgend bei mindestens zwei optischen Weglängen l₁, l₂ mit l₂ < l₁ das massenkonzentrationspropor tionale Meßsignal (I₁, I₂) aufgenommen wird und daß aus den beiden Meßsignalen (I₁, I₂) und den Weglängen (l₁, l₂) unter der Voraussetzung eines für beide Meßsignale gleichen Ex tinktionskoeffizienten das gerade vorliegende, den Wert ohne Aerosol darstellende Nullpunkt-Meßsignal I₀ bestimmt wird, mit dem Sollwert für das Nullpunktmeßsignal verglichen wird und dieses als Grundlage für die folgenden Extinktionsmes sungen herangezogen wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Strahlerzeugungsanordnung und einer Strahlempfän geranordnung und einer Einrichtung zum Bestimmen der Ex tinktionswerte aus den von der Strahlempfangsanordnung ge lieferten Meßwerten, dadurch gekennzeichnet, daß eine steuerbare Verschiebeeinrichtung (3) vorgesehen ist, die die Strahlempfangsanordnung und Strahlerzeugungs anordnung zur Einstellung zumindest zweier verschiedener optischer Weglängen relativ zueinander verschiebt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reflektionseinrichtung (1) zur Strahlumkehr im Meß medium vorgesehen ist und daß die Verschiebeeinrichtung (3) ein pneumatisch, rechnergesteuert aus- und einfahrbarer Kol ben ist, an dessen einem Ende die Reflektoreinrichtung (1) angebracht ist, die mit Hilfe des Kolbens in zwei bezüglich der Strahlerzeugungs- und Strahlempfangsanordnung definier ten Abstände bewegt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtein- und auskoppelung in die Vorrichtung und aus der Vorrichtung über Fiberoptik getrennt sind.