DE3008183A1

DE3008183A1 - Vorrichtung zum anzeigen von in einem gas suspendierten teilchen

Info

Publication number: DE3008183A1
Application number: DE19803008183
Authority: DE
Inventors: Stefan Kaellander
Original assignee: Svenska Utvecklings AB
Current assignee: Svenska Utvecklings AB
Priority date: 1979-03-07
Filing date: 1980-03-04
Publication date: 1980-09-18
Also published as: GB2045456A; US4245910A; GB2045456B; NO800630L; SE428972B; SE7902054L; DK100980A; FI800669A7

Description

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SVENSKA UTVECKLINGSAKTIEBOLAGET 3008183

STOCKHOLM (SCHWEDEN)

Vorrichtung zum Anzeigen von in einem Gas suspendierten Teilchen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen der Anwesenheit fester oder flüssiger Teilchen, die in einem Gas suspendiert sind, also in Aerosolen. Das wachsende Interesse an Umweltbedingungen, insbesondere an Umweltbedingungen von Werkplätzen, hat unter anderem zu einem größeren Bedarf an Instrumenten geführt, die nicht nur die Anwesenheit von in Gas suspendierten festen oder flüssigen Teilchen, z. B. Staub, Rauchteilchen, feinen Tröpfchen von Flüssigkeit wie öl feststellen, sondern auch die Konzentration' solcher Teilchen in dem Gas messen oder sehätzen. Solche Instrumente können z. B. benutzt werden, um den Gehalt an Verunreinigungen in Form fester oder flüssiger Tröpfchen der Luft in einem Raum oder an einem Arbeitsplatz zu überwachen. Sie.--können ferner benutzt werden, um die Wirksamkeit von Filtersystemen oder anderen Reinigungsanlagen zum Behandeln oder Reinigen der zu Arbeitsplätzen geförderten Luft zu prüfen oder zu überwachen. Ferner können solche Instrumente benutzt werden als Rauchdetektoren in Brandwarnanlagen.

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Es sind Vorrichtungen solcher Art bekannt, bei denen ein Volumen des zu untersuchenden Gases durch ein Bündel konzentrierter optischer Strahlen durchleuchtet wird, wobei die in diesem Volumen enthaltenen Teilchen ein Zerstreuen der Strahlen des Bündels bewirkt, und die zerstreute Strahlung auf einen Detektor wirkt, dessen Ausgangssignal zum Anzeigen und Messen der Anwesenheit suspendierter Teilchen benutzt wird. Unter einem Bündel optischer Strahlen wird hier eine Strahlung innerhalb oder auch außerhalb des Bereichs sichtbaren Lichts verstanden, beispielsweise Infrarotstrahlen. Verschiedene Ausführungsarten, solcher Instrumente sind beispielsweise beschrieben in der schwedischen Patentschrift 350 6O4, in den deutschen Offenlegungsschriften 2 051 5^6, 2 260 I50, 2 260 313 und in den US Patentschriften 3 281 748, 3 248 551 und 3 914 616.

Solche bekannte Vorrichtungen sind in verschiedener Hinsicht nicht befriedigend, insbesondere hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit. Das beruht darauf, daß die zerstreute Strahlung eine sehr geringe Intensität im Verhältnis zur Intensität des das Gas durchleuchtenden Strahls hat.

Die Intensität der zerstreuten Strahlung ist eine Punktion der Größe und der Form der Teilchen und variiert stark bezüglich der verschiedenen Richtunggen gegenüber der Richtung des ursprünglichen Strahls.

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Um einen hohen Empfindlichkeitsgrad mit Bezug auf eine gegebene Teilchengröße zu erreichen, ist es daher notwendig, daß die durch die
Teilchen zerstreute Strahlung innerhalb eines wohldefinierten Winkelbereichs gegenüber der Richtung des Ursprungsstrahls gesammelt wird, und zwar vom möglichst großen "Volumen des
Gases und über den größtmöglichen Teil des
Umfanges des ursprünglichen Strahles, und daß sie zur Wirksamkeit auf den Detektor gebracht wird. Jedoch muß der Detektor gleichzeitig
wirksam abgeschirmt sein, damit er nicht beeinflußt wird von der Strahlung des ursprünglichen Strahlungsbündel oder von anderer Strahlung, z. B. von Tageslicht oder anderen Arten von Licht, das in die Vorrichtung gelangen kann Die bisherigen Vorrichtungen erfüllen diese Forderungen nicht zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Anzeigen der Anwesenheit fester
oder flüssiger, in Gas suspendierter Teilchen zu schaffen, die diesen Anforderungen wesentlich besser entspricht als die bekannten Vorrichtungen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung zum Anzeigen der Anwesenheit von festen oder flüssigen, in einem Gas suspendierten Teilchen, die eine Kammer zum

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Aufnehmen des zu untersuchenden Gases, eine Einrichtung zum Erzeugen eines konzentrierten Bündels paralleler, durch die Kammer gerichteter optischer Strahlen, einen Detektor zum Anzeigen der Strahlung und einen Reflektor "" „„-f..^.,· „-. ^, ,. , ,.

• aufweist, der dxe durch die

Teilchen zerstreute Strahlung auf den Detektor reflektiert. Die reflektierende Fläche des Reflektors hat die Form mindestens eines Teiles der Innenseite eines elliptischen Zylinders, dessen eine Fokusachse im wesentlichen übereinstimmt mit der Lage des Strahlenbündels, während die aktive Fläche des Detektors im wesentlichen in der anderen Fokusachse (B2) liegt und die Mittelachse des Bildfeldes ( ) desselben auf das Strahlenbündel gerichtet ist und im wesentlichen in der gleichen Ebene liegt, in der die große Achse der Ellipse des elliptischen Zylinders liegt.

Vorzugsweise ist die Heflektorfläche (4) durch eine zwischen den Fokusachsen und parallel zur kleinen Ellipsenachse liegende Ebene abgeschnittener Teil der elliptischen Zylinderfläche, wobei diese Schnittfläche so gewählt ist, daß die Rellektorfläche das gesamte Bildfeld des Detektors abdeckt. Weitere Merkmale ergeben sich aus den beilliegenden Patentansprüchen.

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Das Ergebnis dieser Anordnung des Reflektors bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, daß die von den in einem Gasvolumen enthaltenen Teilchen zerstreute Strahlung eines primären Strahlungsbündels über einen sehr großen Teil des Umfanges diese primären Strahlungsbündels

gesammelt und durch eine einzige Reflektion eines Reflektors zur Wirkung auf den Detektor gebracht wird. Auf diese Weise wird ein wesentlich größerer Teil der zerstreuten Strahlung zum Detektor geleitet.

Ferner kann die zerstreute Strahlung von einer erheblichen Länge des primären Lichtstrahls und somit von einem großen Volumen des durchstrahlten Gases gesammelt und gemessen werden. Das ist insbesondere möglich, wenn entsprechend einer Ausführungsart der Erfindung mehrere Detektoren nebeneinander längs einer Fokusachse des Reflektors angeordnet sind. Die Vorrichtung weist dann eine hohen Empfindlichkeitsgrad und ein großes Signal-Störungs-Verhältnis auf. Der Reflektor ist vorzugsvreise der Art, daß er nibht von direkter Strahlung des primären Strahlenbündels beeinflußt wird, dabei ist es leicht, den Detektor zu schützen gegen Einwirkung von anderem Licht, das in die Vorrichtung eindringen könnte.

Die Zeichnung zeigt in schematischen Darstellungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsart

der Erfindung
Fig. 2 zeigt in etwas größerem Maßstab einen Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1

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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Strahlenbündel 1 einander paralleler optischer Strahlen durch eine Meßkammer 2 geleitet, die Gas enthält, dessen Gehalt an suspendierten Teilchen bestimmt werden soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel· ist die Meßkammer 2 an beiden Enden offen, sodaß das Gas in Richtung der Pfe^e 3 hindurchströmen kann. Innerhalb der Kammer 2 ist das Straiten bündel 1 von einem Reflektor 4 umgeben, der gleichzeitig einen Teil der Wände der Kammer bildet. Der Reflektor (4) hat die Form einer auf einer Innenseite reflektierenden elliptischen Zylinderfläche. Der für den Reflektor nicht benutzte Teil des elliptischen Zylinders ist in Figur 2 durch gestrichelte Linien 5 angedeutet. Der Reflektor (4) besteht somit aus einem Teil einer elliptischen Zylinderfläche, die durch Schneiden einer vollständigen elliptischen Zylinderfläche längs einer Ebene erzeugt ist, die para^el zur kleinen Achse der elliptischen Querschnittsfläche des Zylinders

liegt. Das Strahlenbündel 1 erstreckt sich in der einen Fokusachse (Bl) der elliptischen Zylinderfläche. Daher wird die durch die suspendierten Teilchen zerstreute Strahlung des Strahlenbündels (1) von dem Reflektor (¹O auf die andere Fokusachse (B2) der elliptischen Zylinderfläche reflektiert.

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In dieser Fokusachse (B2) liegt ein Detektor (6) zum Beispiel eine Foto-Diode, deren aktive Oberfläche und deren Blickfeld zum Reflektor (4) hingewendet ist, sodaß die Mittelachse des Blickfeldes des Detektors (6) auf die Fokusachse (Bl) gerichtet ist, also in der Ebene der großen Achse es elliptischen Querschnitts des elliptischen Zylinders liegt, wobei die Achse des Blickfeldes des Detektors (6) im wesentlichen rechtwinklig zur Fokusachse (Bl) und somit zur Richtung des Strahlenbündels (1) liegt. In Figur 2 ist der Winkel des Blickfeldes des Detektors (6) mit ( ) bezeichnet. Die elliptische Zylinderfläche (4) soll so dimensioniert sein, daß das gesamte Blickfeld des Detektors (6) vom Reflektor (H) gedeckt wird. Das innerhalb des gesamten Winkelbereichs (ß) zerstreute Licht des Lichtbündels (1) wird auf den Detektor (6) gerichtet, nachdem es nur einmal von dem Reflektor (H) reflektiert \rorden ist. Natürlich fällt außerdem das innerhalb des Winkels (^r) zerstreute Licht auf die aktive Fläche des Detektors (6), das jedoch nicht durch den Reflektor (H) reflektiert ist. Der Detektor (6) enthält daher einen sehr großen Teil des von den suspendierten Teilchen des untersuchten Gases zerstreuten Lichts des Lichtstrahls (1). Dadurch ergibt sich eine große Empfindlichkeit! und ein großes Signal-Störungs-Verhältnis. Der Detektor (6) kann auch von Teilchen zerstreutes Licht empfangen, das von einem erheblichen Teil der Länge des Lichtstrahls (1) stammt, wie dies Figur 1 zeigt, in der der Winkel des Bildfeldes des Detektors (6) ebenfalls mit ( ) bezeichnet ist.

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Um das von Teilchen zerstreute Licht zu messen, das von einem größeren Teil der Länge des Lichtbündels (1) stammt, können mehrere Detektoren (6) nebeneinander längs der Fokusachse (B2) angeordnet werden.

Der übrige Teil der Wandung der Meßkammer (2), die so ausgebildet ist, daß das zu untersuchende Gas hindurchströmen kann, ist mit (7) bezeichnet und kann grundsätzlich beliebige Form'haben. Der Detektor (6) kann vorzugsweise in einer in der Wand (7) vorgesehene Öffnung angeordnet sein. Die Innenfläche der Wandung (7) ist vorzugsweise nichtreflektierend,z. B. eine matte schwarze Fläche.

In der dargestellten Ausführungsart der Erfindung wird das Lichtbündel (1) durch eine Lichtquelle, nämlich eine lichtemmitierende Diode (8) erzeugt, die in einem Brennpunkt eines ellipsoiden Reflektors (9) angeordnet ist, durch den die Strahlung der Diode (8) innerhalb eines großen Winkels erfaßt und auf eine kleine Fläche im anderen Fokus des ellipsridalen Reflektors konzentriert, in dem die Öffnung eines Schirms (10) liegt. Ein Linsensystem (11) sammelt das durch die Öffnung (10) gehende Licht zu einem gut parallelen Lichtbündel, das über ein reflektierendes Prisma (12) in die Meßkarnmer (2) derart geleitet wird, daß es in der Richtung der Fokusachse(Bl) des ellptischen Zylinderreflektors (4) liegt.

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Am anderen Ende des Reflektors (4) ist ein Strahlungsauffänger (13) vorgesehen, in dem das Strahlenbündel (1) gelösoht wird. Dieser Strahlungsauffänger kann von beliebiger Art sein. Dadurch daß die Einrichtung zum Erzeugen des Strahlenbündels (1) auf der Außenseite des Reflektors (4) angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, daß die gesamte axiale Länge der Vorrichtung im wesentlichen auf die axiale Länge des Reflektors (4) begrenzt ist. Bei Anordnungen gemäß der Erfindung kann jedoch das die Meßkammer durchstreichende Lichtbündel auch in irgendeiner anderen Weise erzeugt werden.

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Claims

COHAUSZ & FLORACK

PATENTANWALTSBÜRO

SCHUMANNSTR. 97 · D-4OOO DÜSSELDORF

Telefon: (0211) 68 33 46 Telex: 0858 6513 cop d

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ · Dipl.-Ing. D. H. WERNER

Patentansprüche

Vorrichtung zum Anzeigen der Anwesenheit von festen oder flüssigen, in einem Gas suspendierten Teilchen, die eine Kammer zum Aufnehmen des zu untersuchenden Gases, eine Einrichtung zum Erzeugen eines konzentrierten Bündels paralleler, durch die Kammer gerichteter optischer Strahlen, einen Detektor zum Anzeigen der Strahlung und einen Reflektor aufweist, der die durch die Teilchen zerstreute Strahlung auf den Detektor reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche des Reflektors (4) die Form mindestens eines Teiles der Innenseite eines elliptischen Zylinders hat, dessen eine Fokusachse (Bl) im wesentlichen übereinstimmt mit der Lage des Strahlenbündels (1), während die aktive Fläche des Detektors (6) im wesentlichen in der anderen Fokusachse (B2) liegt und die Mittelachse des Bildfeldes (<t) desselben auf das Strahlenbündel (1) gerichtet ist und im wesentlichen in der gleichen Ebene liegt, in der die große Achse der Ellipse des elliptischen Zylinders liegt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch ljdadurch gekennzeichnet , daß die Reflektorfläche (4) durch ein zwischen den Pokusachsen (B.,Bp) und parallel zur kleinen Ellipsenachse liegende Ebene abgeschnittener Teil der elliptischen Zylinderfläche ist, wobei diese Schnittfläche so gewählt ist, daß die Reflektorfläche das gesamte

^! Bildfeld (<O des Detektors abdeckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 ,dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelachse des Bildfelds (et) des Detektors (6) im wesentliehen rechtwinklig zur Richtung des Strahlenbündels (1) liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche (4) ein Teil der Außenwand der Meßkammer (2) ist und diese so angeordnet ist", daß die Strömungsrichtung des zu untersuchenden Gases im wesentlichen parallel zur Richtung des Strahlenbündels (1) liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, längs der genannten zureiten Fokusachse (B2) mehrere Detektoren nebeneinander angeordnet sind.

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