SE409144B

SE409144B - DEVICE FOR DETECTING FLOATING PARTICLES IN A GAS

Info

Publication number: SE409144B
Application number: SE7713459A
Authority: SE
Inventors: S Kellander
Original assignee: Svenska Utvecklings Ab; Swedish National Dev Co
Priority date: 1977-11-28
Filing date: 1977-11-28
Publication date: 1979-07-30
Also published as: SE7713459L

Description

.i massa 10 I5 20 25 30 35 40 2 larna ger upphov till en spridd strålning, som får påverka en stråldetektor, vars utgångssignal utnyttjas som en indikation och ett mått på förekomsten av svävande partiklar i den undersökta gasen." Med optisk strålning menas i detta sammanhang en strålning med en våglängd såväl inom det synliga våglängdsområdet som utanför detta, exempelvis inom det infraröda våglängdsområdetl Olika utformningar av instrument av detta allmänna slag finnes exempelvis beskrivna i den svenska pstentskriften sso 604, nos 2 051 546, nos zlzeo 150, DOS 2 260 313 samt U.S. patentskrifterna 3 281 748, 3 248 551 och 3 914 616. In mass 10 I5 20 25 30 35 40 2 the rays give rise to a scattered radiation, which may affect a radiation detector, the output signal of which is used as an indication and a measure of the presence of suspended particles in the examined gas. "Optical radiation means in In this context, radiation with a wavelength both within the visible wavelength range and outside it, for example within the infrared wavelength range. 260,313 and U.S. Patents 3,281,748, 3,248,551 and 3,914,616.

Tidigare föreslagna och marknadsförde instrument baserade på denna ljusspridningsprincip har emellertid visat sig vara otillfreds- ställande, i synnerhet med avseende på instrumentens känslighet.However, previously proposed and marketed instruments based on this principle of light scattering have proved to be unsatisfactory, in particular with regard to the sensitivity of the instruments.

Detta sammanhänger med att den spridda strålningen har en mycket liten intensitet relativt intensiteten hos det primära, belysande strålknippet. Den spridda strålningens intensitet är en funktion av partiklarnas storlek och form samt varierar kraftigt i förhållande till det primära strålknippet. För att en hög känslighet skall erhållas för en viss storleksordning av partiklar är det därför väsentligt att den av partiklarna inom den genomlysta gasvolymen spridda strålningen kan uppsamlas inom ett definierat vinkelinter- vall relativt primärstrålen och från en så stor gasvolym som möjligt och bringas att påverka den för mätningen av den spridda strål- ningens storlek använda stråldetektorn. Samtidigt måste emellertid stråldetektorn vara mycket väl avskärmad från att mottaga direkt strålning från det primära, belysande strålknippet liksom alltför starkt yttre, inneläckande strålning. De hittills kända instrumenten har ej på ett tillfredsställande sätt uppfyllt dessa villkor. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en förbättrad, enligt ljusspridningsprincipen arbetande anordning för detektering av förekomsten av svävande partiklar i en gas, vilken anordning på ett bättre sätt än tidigare kända anordningar av detta slag tillfredsställer de ovan nämnda villkoren. _ Enligt uppfinningen har detta uppnåtts med en anordning utfor- mad enligt bifogade patentkrav.This is due to the fact that the scattered radiation has a very small intensity relative to the intensity of the primary, illuminating beam. The intensity of the scattered radiation is a function of the size and shape of the particles and varies greatly in relation to the primary beam. In order to obtain a high sensitivity for a certain order of magnitude of particles, it is therefore essential that the radiation scattered by the particles within the transmitted gas volume can be collected within a defined angular range relative to the primary beam and from as large a gas volume as possible and caused to affect it. use the radiation detector to measure the magnitude of the scattered radiation. At the same time, however, the radiation detector must be very well shielded from receiving direct radiation from the primary, illuminating beam as well as excessive external leakage radiation. The instruments known so far have not satisfactorily met these conditions. The object of the present invention is therefore to provide an improved device operating according to the principle of light scattering for detecting the presence of suspended particles in a gas, which device satisfies the above-mentioned conditions in a better way than previously known devices of this kind. According to the invention, this has been achieved with a device designed according to the appended claims.

Genom den speciella formen hos den reflektor, som vid anord- ningen enligt uppfinningen pmger den av det primära-strålknippet genomlysta gasvolymen, uppnås att den av partiklarna i denna gas- volym spridda strålningen uppsamlas i alla riktningar runt det pri- mära strålknippet och via ett antal reflektioner mot reflektorn 10 15 20 25 30 35 40 77131594 3 ledes till att påverka stråldetektorn, Härigenom kommer en väsent- ligt större andel av den spridda strålningen att tillföras strål- detektorn. Vidare blir det möjligt att utan olägenhet samla och mäta den spridda strålningen från en större genomlyst gasvolym.Due to the special shape of the reflector, which in the device according to the invention emits the gas volume illuminated by the primary beam, it is achieved that the radiation scattered by the particles in this gas volume is collected in all directions around the primary beam and via a number of reflections against the reflector 10 15 20 25 30 35 40 77131594 3 is led to affect the radiation detector. In this way, a significantly larger proportion of the scattered radiation will be supplied to the radiation detector. Furthermore, it becomes possible to collect and measure the scattered radiation from a larger translucent gas volume without inconvenience.

Härigenom uppnås en större känslighet och ett större signal-brus- förhållande. Samtidigt säkerställer reflektorns form, att strålde- tektorn ej kan komma att påverkas av någon direkt strålning från det primära, belysande strålknippet. Det blir även lätt att av- skärma stråldetektorn från alltför starkt inneläckande, yttre ljus.This achieves a greater sensitivity and a greater signal-to-noise ratio. At the same time, the shape of the reflector ensures that the radiation detector can not be affected by any direct radiation from the primary, illuminating beam. It will also be easy to shield the radiation detector from too strong incoming, external light.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslut- ning till bifogad ritning, i vilken fig. l schematiskt och i perspektiv visar den principiella uppbyggnaden av en anordning enligt uppfinningen; fig. 2 är en schematisk sidovy, delvis i genomskärning, av en såsom exempel visad utföringsform av uppfinningen, varvid snittet är taget utefter linjen II-II i fig. 3; och fig. 3 visar ett snitt genom anordningen i fig. 2 utefter linjen III-III i fig. 2.In the following, the invention will be described in more detail in connection with the accompanying drawing, in which Fig. 1 schematically and in perspective shows the basic structure of a device according to the invention; Fig. 2 is a schematic side view, partly in section, of an exemplary embodiment of the invention, the section being taken along the line II-II in Fig. 3; and Fig. 3 shows a section through the device in Fig. 2 along the line III-III in Fig. 2.

Såsom fig. l visar schematiskt och i princip, innefattar en anordning enligt uppfinningen en strålningskälla l, som är utformad att avge ett koncentrerat, väsentligen parallellt strålknippe 2, som riktas in i en i fig. l ej närmare visad mätkammare eller annat utrymme, som innehåller den gas vars innehåll av svävande partiklar skall undersökas. Strålningskällan l kan vara av vilket som helst lämpligt utförande, exempelvis innehålla en laser eller en lysdiod och erforderliga optiska element såsom linser och bländare för alstring av det önskade strâlknippet. Strålningen kan ha vilken som helst för ändamålet lämplig våglängd inom det synliga våglängde- området eller utanför detta. Omkring åtminstone en del av den gas- volym som genomlyses av strålknippet 2 är en reflektor 3 anordnad.As Fig. 1 shows schematically and in principle, a device according to the invention comprises a radiation source 1, which is designed to emit a concentrated, substantially parallel beam 2, which is directed into a measuring chamber or other space not shown in Fig. 1, which contains the gas whose particulate matter content is to be investigated. The radiation source 1 can be of any suitable design, for example contain a laser or an LED and necessary optical elements such as lenses and apertures for generating the desired beam. The radiation may have any wavelength suitable for the purpose within the visible wavelength range or outside it. Around at least a part of the gas volume which is illuminated by the beam 2, a reflector 3 is arranged.

Denna reflektor 3 är invändigt reflekterande och utformad såsom en cylinderyta med en tvärsnittsprofil i huvudsak i form av drygt ett varv av en spiralformad kurva, på det sätt som schematiskt illustre- ras i fig. l. Det skall observeras, att uttrycket "cylinderyta" i ' föreliggande sammanhang användes i sin mest generella betydelse, dvs. en yta genererad av en rät linje, som rör sig parallellt med sig själv utmed en förutbestämd kurva, som i det föreliggande samman- hanget är drygt ett varv av en spiralformad kurva. Reflektorn 3 är så anordnad, att brännpunktsaxeln för dess invändiga reflektoryta väsentligen sammanfaller med centrumaxeln hos strålknippet 2. _ 7713-153' 1 10 15 .20 25-- 30 35 40 1 4 En partikel, såsom exempelvis den i fig. 1 markerade partikeln 4, som befinner sig i den av strålknippet 2 genomlysta gasvolymen, kommer att ge upphov till en spridd strålning med olika intensitet i olika riktningar relativt strålknippets 2 längdriktning, i beroende av partikelns storlek och form, men naturligtvis väsentligen rota- tionssymmetriskt omkring strålknippets 2 längdriktning. Genom 7 reflektorns 3 speciella form och placering relativt strålknippet 2 kommer en mycket stor andel av denäav partikeln 4 spridda strål- ningen att genom reflektion mot reflektorns 3 insida ledas ut genom spalten 5 mellan reflektorns 3 yttre ände eller kant 3a och reflek- torns inre ände eller kant 3b. Anordningen innefattar vidare en stråldetektor 6, exempelvis i form av en fotodiod, som är anordnad med sitt synfält riktat in i nämnda spalt hos reflektorn 3 till att mottaga nämnda spridda strålning. _ Medelst det speciella reflektorarrangemanget enligt uppfin- ningen uppnås, att den av partiklar inom den av reflektorn omslutna och av det primära strålknippet genomlysta gasvolymen spridda strål- ningen uppsamlas i alla riktningar runt strålknippet och förmedlas till stråldetektorn, varigenom en relativt tidigare kända, enligt ljusspridningsprincipen arbetande instrument väsentligt förhöjd belysningsintensitet på stråldetektorn och därmed en motsvarande större utgångssignal från denna kan erhållas även vid små koncentra- tioner av partiklar i den genomlysta gasvolymen. Genom att öka reflektorns 3 axiella längd och eventuellt anordna ett flertal fotodiodéf 6 vid sidan av varandra är det även möjligt att väsent- ligt förstora den genomlysta gasvolym från vilken den spridda strål- ningen kan uppsamlas. Som resultat erhålles en ökad känslighet för anordningen och även ett bättre signal-brus-förhållande. Vidare ger den speciella reflektorutformningen enligt uppfinningen en mycket god avskärmning av stråldetektorn 6 från att belysas direkt frân: det primära strålknippet 2, vilket även är en_förutsättning för hög känslighet och god noggrannhet.This reflector 3 is internally reflective and designed as a cylinder surface with a cross-sectional profile substantially in the form of just over one revolution of a helical curve, in the manner schematically illustrated in Fig. 1. It should be noted that the term "cylinder surface" in 'the present context was used in its most general sense, i.e. a surface generated by a straight line, which moves parallel to itself along a predetermined curve, which in the present context is just over one revolution of a helical curve. The reflector 3 is arranged so that the focal axis of its internal reflector surface substantially coincides with the center axis of the beam 2. A particle, such as the particle marked in Fig. 1, 4, which is in the gas volume illuminated by the beam 2, will give rise to a scattered radiation with different intensities in different directions relative to the longitudinal direction of the beam 2, depending on the size and shape of the particle, but of course substantially rotationally symmetrical about the longitudinal direction 2 of the beam 2. . Due to the special shape and location of the reflector 3 relative to the beam 2, a very large proportion of the radiation scattered by the particle 4 will be led out through reflection towards the inside of the reflector 3 through the gap 5 between the outer end or edge 3a of the reflector 3 and the inner end of the reflector. or edge 3b. The device further comprises a beam detector 6, for example in the form of a photodiode, which is arranged with its field of view directed into said gap of the reflector 3 to receive said scattered radiation. By means of the special reflector arrangement according to the invention it is achieved that the radiation scattered by particles within the gas volume enclosed by the reflector and illuminated by the primary beam is collected in all directions around the beam and transmitted to the beam detector, whereby a relatively prior art. operating instruments significantly increased illumination intensity on the beam detector and thus a correspondingly larger output signal from this can be obtained even at small concentrations of particles in the translucent gas volume. By increasing the axial length of the reflector 3 and possibly arranging a plurality of photodiodes 6 next to each other, it is also possible to substantially enlarge the translucent gas volume from which the scattered radiation can be collected. As a result, an increased sensitivity of the device and also a better signal-to-noise ratio is obtained. Furthermore, the special reflector design according to the invention provides a very good shielding of the beam detector 6 from being illuminated directly from: the primary beam 2, which is also a prerequisite for high sensitivity and good accuracy.

En anordning enligt uppfinningen kan med fördel exempelvis utformas på det i fig. 2 och 3 schematiskt visade sättet. Motsva- rande komponenter är i fig. 2 och 3 försedda med samma hänvisnings- beteckningar som i fig. 1.A device according to the invention can advantageously be designed, for example, in the manner schematically shown in Figs. 2 and 3. Corresponding components in Figs. 2 and 3 are provided with the same reference numerals as in Fig. 1.

Vid den i fig. 2 och Bïvisade anordningen utgöres reflektorn 3 av en invändigt reflekterande plåt, som är monterad mellan två gavel- stycken 7 och 8, så att den har den i fig. 3 visade spiralformen i tvärsnitt. De båda gavelstyckena 7 och 8 är väsentligen utformade F 10 15 20 25 30 35 40 7713459-1 5 på samma sätt, och gavelstyckets 7 form framgår tydligare av fig. 3.In the device shown in Fig. 2 and Bïvede, the reflector 3 consists of an internally reflecting plate, which is mounted between two end pieces 7 and 8, so that it has the spiral shape shown in Fig. 3 in cross section. The two end pieces 7 and 8 are substantially designed in the same way, and the shape of the end piece 7 is more clearly shown in Fig. 3.

Detta gavelstycke 7 är sålunda försett med en väsentligen central öppning 7a, i vilken strålningskällan l är monterad. Denna strål- ningskälla kan exempelvis, såsom schematiskt visat i fig. 2, inne- fatta en lysdiod 9 monterad med sin strålningsemitterande del i I brännpunkten av en parabolisk reflektor 10 samt lins- och bländar- element ll,l2,l3 för alstring av det koncentrerade, väsentligen parallella strålknippet 2, som inträder i den av reflektorn 3 och gavelstyckena 7,8 omslutna mätkammaren genom öppningen 7a i gavelstycket 7.This end piece 7 is thus provided with a substantially central opening 7a, in which the radiation source 1 is mounted. This radiation source may, for example, as schematically shown in Fig. 2, comprise a light emitting diode 9 mounted with its radiation emitting part in the focal point of a parabolic reflector 10 and lens and aperture elements 11, 13, 13 for generating the concentrated, substantially parallel beam 2, which enters the measuring chamber enclosed by the reflector 3 and the end pieces 7,8 through the opening 7a in the end piece 7.

Det andra gavelstycket 8 är likaledes utformat med en väsent- ligen central öppning 8a mittför strålknippet 2, i vilken öppning en strålfälla 14 är monterad, som är utformad att mottaga och väsentligen totalt absorbera strålknippet 2. Vid det visade ut- föringsexemplet utgöres denna strålfälla 14 av en i ena änden sluten cylinder, vars insida är "svart". dvs. väsentligen totalabsorberande för strålknippets 2 strålning, och i vars botten en knosk kropp l4a är monterad, vilken likaledes har en i möjligaste mån "svart" yta.The second end piece 8 is likewise formed with a substantially central opening 8a opposite the beam 2, in which opening a beam trap 14 is mounted, which is designed to receive and substantially totally absorb the beam 2. In the embodiment shown, this beam trap 14 is of a cylinder closed at one end, the inside of which is "black". i.e. substantially totally absorbent to the radiation of the beam 2, and in the bottom of which a bump body 14a is mounted, which likewise has a "black" surface as far as possible.

Det skall i detta sammanhang dock påpekas, att såväl strål- källan l som strålfällan 14 givetvis kan vara utformade på ett flertal olika sätt vid en anordning enligt uppfinningen.In this context, however, it should be pointed out that both the radiation source 1 and the radiation trap 14 can of course be designed in a number of different ways in a device according to the invention.

Den av reflektorn 3 och de båda gavelstyckena 7 och 8 bildade mät- eller spridningskammaren kan vidare ha en vägg 15 som till- sluter spalten mellan reflektorns 3 yttre kant 3a och den innanför- liggande delen av reflektorn, varvid strâldetektorn 6, exempelvis i form av en fotodiod, är insatt i en öppning i denna vägg 15 till att mottaga den av reflektorn 3 reflekterade, spridda strålningen 4 1 från partiklar i denfav strålknippet 2 genomlysta gasvolymen inuti p kammaren.The measuring or spreading chamber formed by the reflector 3 and the two end pieces 7 and 8 may further have a wall 15 which closes the gap between the outer edge 3a of the reflector 3 and the inner part of the reflector, the radiation detector 6, for example in the form of a photodiode, is inserted in an opening in this wall 15 to receive the scattered radiation 41 reflected by particles in the reflector 3 in the beam 2 reflected by the gas volume inside the chamber.

Den gas som skall undersökas kan ledas i en fortlöpande ström genom nämnda kammare genom en inloppsöppning 7b i gavelstycket 7 och en motsvarande utloppsöppning 8b i det andra gavelstycket 8.The gas to be examined can be led in a continuous flow through said chamber through an inlet opening 7b in the end piece 7 and a corresponding outlet opening 8b in the second end piece 8.

Av fig. 3 framgår än tydligare än tidigare, att reflektorn 3 ß effektivt avskärmar stråldetektorn 6 från att träffas av någon direkt strålning från strålknippet 2.Fig. 3 shows even more clearly than before that the reflector 3 ß effectively shields the beam detector 6 from being struck by any direct radiation from the beam 2.

Spiralformen för reflektorns 3 tvärsnittsprofil är ej kritisk.The spiral shape of the cross-sectional profile of the reflector 3 is not critical.

Väsentligt är endast, att spiralformen är sådan, att en så stor del av det spridda ljuset som möjligt via ett litet antal reflektioner i reflektorn 3 ledes till stråldetektorn 6. En fördelaktig tvär- snittsform för reflektorn 3 har visat sig vara en cirkelevolvent, i 10 15 20 25 _'l7'13lr'5ï9- 1 6 _ -MH vars evoluta är en cirkel med sin mittpunkt i huvudsak samman- fallande med centrumaxeln för strålknippet 2.The only significant thing is that the spiral shape is such that as large a part of the scattered light as possible via a small number of reflections in the reflector 3 is led to the beam detector 6. An advantageous cross-sectional shape of the reflector 3 has proved to be a circular revolver, in 10 15 20 25 _'l7'13lr'5ï9- 1 6 _ -MH whose evoluta is a circle with its center substantially coinciding with the center axis of the beam 2.

I det i fig. 2 och 3 visade utföringsexemplet på uppfinningen är stråldetektorn 6 så anordnad, att centrumaxeln för stråldetek- torns synfält eller synvinkel ligger i ett plan, som är vinkelrätt mot strålknippet 2. Härav följer, att strâldetektorn 6 kommer att mottaga strålning, som sprides av partiklar belysta av strålknippet 2 inom en viss vinkel, bestämd av storleken hos strâldetektorns 6 på ömse sidor om ett mot strålknippets 2 riktning vinkel- Eftersom den av de belysta partiklarna spridda strål- olika stor intensitet i olika riktningar relativt strål- synvinkel, rätt plan. ningen har knippets 2 riktning, i beroende av partiklarnas storlek och form, kan det dock vid vissa tillämpningar vara önskvärt, att stråldetek- torn 6 påverkas av strålning som sprides i andra riktningar än i huvudsak vinkelrätt mot strålknippets 2 riktning. Detta kan vid en anordning enligt uppfinningen lätt uppnås, genom att stråldetektorn 6 orienteras så, att centrumaxeln för dess synfält eller synvinkel är snett riktad relativt ett mot strålknippets 2 längdriktning vinkel- rätt plan. Om reflektorn 3 göres lång i strålknippets 2 riktning, inses det, att en stråldetektor 6 med en stor synvinkel kan användas utan olägenhet, så att spridd strålning inom ett stort vinkelområde och från en stor gasvolym kan bringas att påverka stråldetektorn.In the exemplary embodiment of the invention shown in Figs. 2 and 3, the beam detector 6 is arranged so that the center axis of the field of view or angle of view of the beam detector lies in a plane which is perpendicular to the beam 2. It follows that the beam detector 6 will receive radiation. scattered by particles illuminated by the beam 2 within a certain angle, determined by the size of the beam detector 6 on either side of an angle opposite to the direction of the beam 2- Since the beam scattered by the illuminated particles has different intensity in different directions relative to beam angle, the right plan. However, depending on the size and shape of the particles, in some applications it may be desirable for the radiation detector 6 to be affected by radiation scattered in directions other than substantially perpendicular to the direction of the beam 2. This can be easily achieved in a device according to the invention, by orienting the beam detector 6 so that the center axis of its field of view or angle of view is obliquely directed relative to a plane perpendicular to the longitudinal direction of the beam 2. If the reflector 3 is made long in the direction of the beam 2, it will be realized that a beam detector 6 with a large viewing angle can be used without inconvenience, so that scattered radiation within a large angular range and from a large volume of gas can be caused to affect the beam detector.

De elektriska kretsarna och anordningarna för drivning av strålningskällan l respektive för behandling av utgångssignalen från stråldetektorn 6 har ej närmare beskrivits i denna beskrivning, då dessa delar av en anprdning enligt uppfinningen kan vara utfor- made på ett i och för sig konventionellt sätt, dock bör dessa ut- formas så att ett minimum av störkänslighet från andra ljuskällor erhålles,The electrical circuits and devices for driving the radiation source 1 and for processing the output signal from the radiation detector 6, respectively, have not been described in more detail in this description, as these parts of a device according to the invention can be designed in a per se conventional manner. these are designed so that a minimum of noise sensitivity is obtained from other light sources,

Claims

7713169-1 7 Patent claims

An apparatus for detecting the presence of suspended, solid or liquid particles in a gas, comprising a chamber for receiving the gas to be examined, means (1) arranged to generate and direct through said chamber a concentrated, substantially parallel, optical beam (2), a beam detector (6) and a reflector device (3) arranged to reflect radiation to said beam detector scattered by particles present within the gas volume of said beam in said chamber, characterized in that the reflector device comprises a cylindrical reflector, including a reflector. (3) with a cross-sectional profile substantially in the form of just over one revolution of a helical curve, which reflector surface is arranged with its focal axis substantially coinciding with the center axis of the beam (2), and the beam detector (6) is arranged with its field of view directed towards said reflector surface through the gap (5) between the inner and outer ends (3a) of the reflector surface, 3b).

Device according to claim 1, characterized in that the beam detector (6) is arranged with the center axis in its field of view located in a plane substantially perpendicular to the direction of the beam (2).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the cross-sectional profile of the reflector surface (3) has the shape of just over one turn of the evplvent to a circle, the center of which is located substantially on the center axis of the beam (2).

Device according to any one of claims 1 - 3, characterized in that the reflector surface (3) forms an outer wall of said chamber, which is arranged to be able to flow through the gas to be examined substantially parallel to the beam (2) direction.

Device according to claim 4, characterized in that the reflector surface (3) is mounted between two end walls perpendicularly to the beam (7, 8) forming said beams (2), said one end piece (7) being provided with at least one inlet opening (7b) and the second end piece (8) with at least one outlet opening (Bb) for the gas flow through the chamber, 771131159-1 8

Device according to claim 5, characterized in that one end piece (7) carries the beams (2) generating means (1) and is provided with a central opening (7a) for inserting the beam (2) into the chamber, and that the end piece (8) carries a beam trap (14) for the beam (2). BEFORE PUBLICATIONS: RAW 'NP