DE4334208A1 - Streulichtphotometer nach dem Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren - Google Patents

Description

Streulichtphotometer dienen zur optischen Erfassung von Fremdstoffteilchen in einem Trägermedium, z. B. feste oder flüssige Partikel in Gasen, Feststoffe oder Gasbläschen in Flüssigkeiten.

Das Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren ist eine Erweiterung der üblichen Anordnung mit einem Sender und einem Streulichtempfänger, Fig. 5 zeigt den Aufbau. Symmetrisch zur Mittenachse M und unter einem beliebigen Winkel sind zwei Sender S1 und S2 angebracht. Ihnen gegenüber liegen die Empfänger E1 und E2. Sender- und Empfängeroptiken sind auf Parallelstrahlung eingestellt. Schaltet man S1 ein, liefert E1 das Durchlichtsignal und E2 das Streulichtsignal, das im Schnittvolumen aus Senderstrahl und Empfängersehwinkel entsteht (optisches Volumen, angesiedelt am Schnittpunkt der beiden Senderstrahlen). Zwei entsprechende Meßwerte liefert S2. Aus diesen vier Werten läßt sich der Fremdstoffgehalt als Menge, Konzentration o. ä. berechnen.

Die beschriebene Vorgehensweise bietet folgende Vorteile:

• - Verschmutzungen und Ablagerungen auf optischen Elementen oder Fenstern, die zwischen Meßmedium und den Sendern bzw. Empfängern angeordnet sind, beeinflussen das aus den Teilmessungen berechnete Endresultat nicht. Dadurch wird der Zeitabstand zwischen den nötigen Wartungsarbeiten an so gearteten Geräten deutlich erhöht.
• - Das Verfahren ist kompensiert gegen Temperaturdrift und Alterung der Sender und Empfänger.
• - Absorptionseffekte auf den Lichtwegen im Meßmedium, die durch das Trägermedium (z. B. dessen Farbe) oder durch die Fremdstoffe hervorgerufen werden, zeigen keine Auswirkungen auf das Ergebnis, selbst wenn die Fremdstoffe unregelmäßig über den Durchströmquerschnitt verteilt sind.

Das Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren ist Stand der Technik in der Überwachung von Trink- und Abwasser.

Nicht bekannt ist es für die Messung in gasförmigen Trägermedien. Hier läßt es sich mit Vorteil einsetzen, da in diesem Bereich Verschmutzungen der optischen Bauteile häufig zu Problemen und Falschmessungen führen (Patentanspruch 1).

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich wieder auf Trägermedien beliebigen Aggregatzustandes.

Eine Erweiterung gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich aus der bisher unbekannten Tatsache, daß jeder Sender und Empfänger in einer anderen Entfernung zum optischen Volumen angeordnet werden kann. Die erwähnten Vorteile dieser Meßmethode bleiben dabei erhalten. Somit ist ein solches Streulichtphotometer von außen an beliebig geformte, z. B. rechteckige Durchströmquerschnitte des Meßmediums anbaubar, ohne daß die Strömung gestört wird oder eine Sonde eingebracht werden muß (Patentanspruch 2).

Die Vorteile des Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahrens lassen sich auch beim Abscannen von Strömungsquerschnitten ausnutzen (Patentanspruch 3). Hierzu wird zweckmäßigerweise, aber nicht notwendig, ein Winkel von 90° zwischen den Sendern und ein rechteckförmiger Strömungsquerschnitt gewählt. Fig. 1 zeigt die Anordnung. S1 und E1 werden gleichzeitig parallel verschoben. Dies liefert die örtliche Fremdstoffverteilung zwischen S2 und E2. Analog dazu liefert ein Verschieben von S2 und E2 die Verteilung zwischen S1 und E1. Somit kann der ganze Strömungsquerschnitt von außen abgescant werden, ohne daß die Strömung gestört wird oder eine Sonde eingebracht werden muß.

Die Abtrennung des Meßmediums von der Umgebung kann z. B. mittels Glasscheiben erfolgen. Da das von einem Fremdstoffteilchen ausgehende Streulicht eine Kugelwelle darstellt, ändert sich die vom Streulichtempfänger detektierte Lichtleistung, wenn sein Abstand zum optischen Volumen variiert wird. Dieser Effekt wird durch das Vierstrahl-Wechsellicht- Verfahren nicht kompensiert. Deshalb ist die Aufnahme von Eichkurven nötig.

Der Scan-Querschnitt ist durch den maximal zulässigen Abstand zwischen optischem Volumen und Streulichtempfänger, bei dem das Streulicht noch detektiert werden kann, begrenzt. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der sich durch Verdoppelung der Sender- und Empfängerzahl die abscanbare Fläche vervierfachen läßt (Patentanspruch 4). Ein Sender und ein Empfänger werden gemeinsam in geringem Abstand auf einem Vorschub montiert und zusammen mit dem gegenüberliegenden Paar bewegt. Für die Messung wählt man nun die beiden Empfänger, die dem angewählten Abtastpunkt am nächsten liegen. Quadrant I wird mit S1, E1 und S2, E2 abgescant, Quadrant II mit S2, E2 und S3, E3, Quadrant III mit S3, E3, und S4, E4 und Quadrant IV mit S4, E4 und S1, E1.

Anstatt die Sender und Empfänger zu verschieben, ist es auch möglich, eine Vielzahl von Sendern und gegenüberliegend Empfänger um den Durchströmquerschnitt anzuordnen. Die Verteilung der Fremdstoffkonzentration wird hierbei nur punktweise erfaßt, dafür ist eine viel höhere Abtastrate möglich. Außerdem ist durch das Wegfallen der Vorschübe diese Methode verschleißfrei. Wählt man antiparallele Anordnungen wie in Fig. 2, erreicht man auch hier eine Vervierfachung des ausmeßbaren Durchströmquerschnittes (Patentanspruch 5).

Vorteilhaft eingesetzt werden können die in den Patentansprüchen 3-5 angegebenen Erfindungen überall dort, wo es nicht ausreicht, von einem Meßpunkt auf den Fremdstoffgehalt des ganzen Durchströmquerschnittes zu schließen, z. B. bei der Kontrolle der optischen Reinheit von Flüssigkeiten oder Überwachung von Staubemissionen aus Kaminen.

Das Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren nach dem Stand der Technik dient zur Bestimmung von Stoffmengen. Es läßt sich aber auch so abwandeln, daß es zum Ausmessen der Winkelverteilung des Streulichtes benutzen werden kann (Patentanspruch 6). Alle erwähnten Vorteile des Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahrens bleiben dabei erhalten. Fig. 3 zeigt die prinzipielle Anordnung zur Bestimmung eines Intensitätsverhältnisses. Ist S1 eingeschalten, mißt E1 das Streulicht unter dem Winkel α, E2 unter dem Winkel β. Bei Betätigung von S2 vertauschen die Empfänger ihre Rollen. Aus den so gewonnenen vier Meßwerten läßt sich nach dem üblichen Rechenweg das Verhältnis der Streulichtintensitäten unter den Winkeln α und β bestimmen. Wichtig ist, daß die beiden Empfänger symmetrisch zu der von den beiden Sendern vorgegebenen Mittenachse M liegen. Es lassen sich weitere Sender- und Empfängerpaare zu der in Fig. 3 gezeigten Anordnung hinzufügen. Auch sie müssen, jedes Paar für sich, symmetrisch zur Mittenachse M angebracht sein. Jedes Senderpaar wird mit den vorhandenen Empfängerpaaren verknüpft. Die Anzahl N der so bestimmbaren Intensitätsverhältnisse berechnet sich zu Senderzahl mal Empfängerzahl geteilt durch 4. Aus diesen Werten kann nach bekannten Verfahren die Durchmesserverteilung der Fremdstoffe, unterteilt in N Intervalle, ermittelt werden.

Das Meßverfahren nach Patentanspruch 6 ist mit dem Vierstrahl- Wechsellicht-Verfahren nach dem Stand der Technik (Fig. 5) kombinierbar und ergibt ein Meßgerät, das sowohl die Fremdstoffmenge als auch deren Durchmesserverteilung bestimmen kann (Patentanspruch 7). Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform mit 6 Sendern S1 . . . S6 und 6 Empfängern E1 . . . E6. Mit S1, S2 und E1, E2 wird unter 90° die Menge des Fremdstoffgehaltes bestimmt. Diese Sender- und Empfängerpaare werden auch in Verknüpfung mit den übrigen Paaren zur Ermittlung der Winkelverteilung des Streulichtes verwendet. In Fig. 4 beträgt der Winkel zwischen den Empfängern 18°. Man erhält die Streulichtverteilung für 9 Winkel, die ein ganzzahliges Vielfaches dieses Wertes sind, d. h. für 18°, 36°, 54° . . . 162°.

Um Falschlicht, das von einem Sender direkt auf einen Empfänger trifft, ohne im optischen Volumen gestreut zu werden, zu unterdrücken, ist es vorteilhaft, die Empfänger unter höheren Streuwinkeln anzuordnen (Patentanspruch 8). Ab welchem Streuwinkel die Unterdrückung ausreichend ist, hängt von der Ausführungsform des Gerätes und dem Trägermedium ab.

Die Bestimmung des Fremdstoffgehaltes mit dem Vierstrahl- Wechsellicht-Verfahren nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, daß ein derartiges Gerät nur auf eine bestimmte Durchmesserverteilung der Fremdstoffe geeicht ist. Ändert sich diese, zeigt das Gerät falsche Werte. Mit einem Streulichtphotometer nach Patentanspruch 7 wird die Durchmesserverteilung erfaßt. Damit kann der gemessene Wert des Fremdstoffgehaltes so korrigiert werden, daß er dem tatsächlich im Trägermedium enthaltenen Wert entspricht (Patentanspruch 9). Variiert die Durchmesserverteilung nicht zu stark, müßte für eine empirische Korrektur die Bestimmung des Streulichtintensitätsverhältnisses von zwei Winkeln ausreichen. Ändert sich die Durchmesserverteilung zum Gröberen, wird der Anteil des Streulichtes in Vorwärtsrichtung höher. Eine solche Vorrichtung käme dann mit zwei Sendern und vier Empfängern (oder umgekehrt) aus. In dieser einfachen Ausführung ist die in Patentanspruch 9 angegebene Erfindung vorteilhaft einsetzbar, wenn eine exakte Mengenmessung erfolgen muß z. B. bei der personenbezogenen Überwachung von Arbeitsplatzstäuben. Für speziell diese Anwendung gibt es bisher nur Photometer, die nicht nach dem Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren arbeiten und auch keine verteilungskorrigierten Werte liefern.

Die von einer solchen Vorrichtung getroffene Aussage über Menge und Durchmesserverteilung (bzw. im einfachen Fall deren Änderung) eignet sich aber auch bei der Überwachung und Regelung von Verbrennungsvorgängen (z. B. Heizungsanlagen, Kfz- Motoren) zu deren Optimierung oder zur Minimierung von Teilchenemissionen. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt in der Qualitätskontrolle von flüssigen Chemikalien, Trink- und Abwasser.

Beim Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren nach dem Stand der Technik (Fig. 5) liefert ein Empfänger, zeitlich versetzt, sowohl ein Durchlicht- als auch ein Streulichtsignal. Diese können um einen Faktor von bis zu einer Million unterschiedlich sein. Ein so hoher Linearitätsbereich kann mit den heute handelsüblichen Detektoren kaum oder gar nicht erreicht werden. Eine Lösung bietet die Verwendung von je einem Polarisator vor den Sendern und Empfängern, Aufbau wie in Fig. 5 (Patentanspruch 10). Diese sind folgendermaßen anzuordnen: Die Polarisationsrichtung des Strahles des einen Senders muß um 45° zur Zeichenebene geneigt sein, die des anderen um 135° (d. h. würden die Strahlen der beiden Sender zur Deckung gebracht, wären sie senkrecht zueinander polarisiert). Diese Winkelwahl ist deshalb nötig, weil die Intensität der Streustrahlung abhängig von der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung ist. Die Polarisatoren vor den Empfängern müssen um 90° zu denen der gegenüberliegenden Sender verdreht sein. So kann Durchlicht, je nach Polarisatorgüte, stark abgeschwächt werden, Streulicht hingegen wird kaum gedämpft. Die Polarisatoren vor den Sendern entfallen, wenn Strahlungsquellen verwendet werden, die von sich aus polarisiertes Licht emittieren (z. B. Laser). Die beschriebene Vorrichtung kann sowohl in Streulichtphotometer nach dem Vierstrahl- Wechsellicht-Verfahren integriert werden, die dem Stand der Technik entsprechen, als auch in alle in dieser Patentschrift angegebenen, im Vergleich zum Stand der Technik erweiterten bzw. modifizierten Ausführungen.

Claims (10)

1. Streulichtphotometer nach dem Vierstrahl-Wechsellicht- Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß es für gasförmige Trägermedien verwendet wird.

2. Streulichtphotometer nach dem Vierstrahl-Wechsellicht- Verfahren für Trägermedien beliebigen Aggregatzustandes, dadurch gekennzeichnet, daß es von außen an beliebig geformte Durchströmquerschnitte angebracht werden kann, ohne daß die Strömung gestört wird oder eine Sonde eingebracht werden muß.

3. Streulichtphotometer nach dem Vierstrahl-Wechsellicht- Verfahren für Trägermedien beliebigen Aggregatzustandes, dadurch gekennzeichnet, daß es durch Verschieben der Sender und gegenüberliegenden Empfänger zum Abscannen von Strömungsquerschnitten von außen geeignet ist, ohne daß die Strömung gestört wird oder eine Sonde eingebracht werden muß.

4. Streulichtphotometer nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verdoppelung der Sender- und Empfängerzahl eine Vervierfachung der abscanbaren Fläche erreicht wird.

5. Streulichtphotometer nach Patentanspruch 3 bzw. 4, dadurch gekennzeichnet, daß, anstatt die Sender und Empfänger zu verschieben, eine Vielzahl von Sender und gegenüberliegend Empfänger um den Durchströmquerschnitt angeordnet ist.

6. Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren für Trägermedien beliebigen Aggregatzustandes, dadurch gekennzeichnet, daß es die Winkelverteilung des Streulichtes erfaßt und somit die Durchmesserverteilung von Fremdstoffen ermittelt werden kann.

7. Streulichtphotometer nach dem Verfahren von Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es kombiniert ist mit dem Vierstrahl-Wechsellicht- Verfahren nach dem Stand der Technik, wodurch eine Bestimmung der Fremdstoffmenge und deren Durchmesser­ verteilung möglich ist.

8. Streulichtphotometer nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Falschlicht, das von den Sendern direkt auf die Empfänger trifft, die Empfänger unter ausreichend hohen Streuwinkeln angeordnet sind.

9. Streulichtphotometer nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren nach dem Stand der Technik bestimmte Fremdstoffgehalt so korrigiert wird, daß unabhängig von seiner Durchmesserverteilung der richtige Wert ermittelt wird.

10. Streulichtphotometer nach dem Vierstrahl-Wechsellicht- Verfahren für Trägermedien beliebigen Aggregatzustandes, dadurch gekennzeichnet, daß Polarisatoren so in die Strahlengänge eingefügt werden, daß das Durchlicht stark, das Streulicht aber nur gering abgeschwächt wird. Anstelle der Polarisatoren vor den Sendern können auch Strahlungsquellen verwendet werden, die von sich aus polarisiertes Licht emittieren.