DE1802269A1

DE1802269A1 - Verfahren zum Messen der Konzentration und/oder Groesse von Schwebstoffteilchen

Info

Publication number: DE1802269A1
Application number: DE19681802269
Authority: DE
Inventors: Werner Heinze; Bol Dipl-Phys Jan; Gebhart Dipl-Phys Josef; Werner Letschert
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1968-10-10
Filing date: 1968-10-10
Publication date: 1970-05-14
Also published as: US3646352A; FR2020348A1; GB1263586A; DE1802269C3; DE1802269B2

Description

KRU/rig

R-6o.74o-o1, 61/68 8. Oktober 1968

Verfahren zum Messen der Konzentration und/oder Größe von Schwebstoffteilchen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Konzentration und/oder Größe von beleuchteten Schwebstoff teilchen nach dem Streulichtverfahren.

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Zur Messung der Konzentration und/oder Größe von Schwebstoff teilchen sind seit längerer Zeit Geräte auf dem Markt, die nach dem Streulichtverfahren arbeiten und mit großer Schnelligkeit Meßresultate liefern. Hierbei dient die Intensität des an den Teilchen gestreuten Lichtes als Maß für die Teilchengröße und die Anzahl der Zählimpulse pro Zeiteinheit als Maß für die Konzentration. Bei genauerer Kontrolle zeigt sich jedoch, daß diese Ergebnisse mit Fehlern behaftet sind, da die Meßwerte abhängig sind von den optischen Eigenschaften der zu untersuchenden Teilchen. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn Aerosole mit hinsichtlich der optischen Eigenschaften unterschiedlichen Teilchen untersucht werden sollen, sogenannte Mischr-Aerosole.

Die zu diesen Geräten gelieferten Eichkurven beziehen sich außerdem nur auf kugelförmige Teilchen, während technische Staubuntersuchungen meist an völlig unregelmäßigen Partikeln durchzuführen sind. Diesem Formfaktor tragen die bekannten Geräte keineswegs Rechnung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Yerfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Konzentrationen und/oder Größe von Schwebstoffteilchen in einem vergleichsweise großen Teilchengrößen- und Konzen-

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trationsbereich zu messen. Die Schwebstoffteilchen sollen hierbei Durchmesser von etwa o,1 bis 1o/um haben; ihre Konzentration im Trägermedium soll etwa 0 bis 1o Teilchen

pro cm betragen. Weiterhin sollen die Meßergebnisse praktisch unabhängig von den optischen Eigenschaften (Brechungsindex, Absorptionsvermögen) sowie der Form der Teilchen sein.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schwebstoffteilchen mit einem Laserstrahl beleuchtet werden und daß von dem Streulicht die Vorwärtskeule innerhalb eines Winkels von etwa +.15° ausgewertet wird.

Die erfindungsgemäße Verwendung eines Laserstrahles schafft die Voraussetzung dafür, daß ausschließlich das innerhalb der Vorwärtskeule gestreute Licht ausgewertet werden kann. Die im Kleinwinkelbereich der Vorwärtskeule gestreute Lichtintensität wird am wenigsten von den optischen Eigenschaften der Schwebstoffteilchen beeinflußt. Darüber hinaus wirkt sich die im allgemeinen unregelmäßige Form der Schwebstoffteilchen innerhalb des Winkelbereiches der Vorwärtskeule am wenigsten auf das Meßergebnis aus. Auf diese Weise ist also Gewähr für eine genaue Bestimmung der zu messenden Größen gegeben.

Die durch die Verwendung des Laserstrahles erzielte Steigerung der Genauigkeit und des Meßbereiches des erfindungsgemäßen Ver-

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fahrens beruht auf folgenden Eigenschaften des Laserlichtes %

Die Beleuchtungsintensität ist vergleichsweise hoch. Dadurch steigt die Empfindlichkeit, und kleine Teilchen werden erfaßbar. Die Punktförmigkeit des Lasers als Lichtquelle ermöglicht eine exakte Ausleuchtung eines verhältnismäßig sehr kleinen Meßvolumens, d.h., hohe Aerosolkonzentrationen können gemessen werden. Der Laserstrahl hat einen kleinen Öffnungswinkel. Dadurch läßt sich eine kleine Beleuchtungsapertur im Meßvolumen erzielen, wodurch wiederum die Vorwärtskeule (Bereich der engen Vorwärtsstreuung) genau definiert ist und das ungestreute und das gestreute Lieh scharf voneinander getrennt werden können.

Um die in dem vorgesehenen Teilchengrößenbereich von o,1 bis 1o /um und darüber auftretende Streulichtintensität, die sich über 8 Zehnerpotenzen erstreckt , mit einem üblichen Sekundärelektronenvervielfacher verarbeiten zu können,ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Intensität des Laserstrahls verringert wird, wenn der Anodenstrom des Photodetektors einen vorgegebenen Wert überschreitet.

Erfindungsgemäß erfolgt diese Verringerung der Intensität des Laserstrahles durch Ansteuerung einer im Laserstrahl angeordneten Kerr- oder Pockelzelle über den Anodenstrom des

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Photodetektors.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie an Hand der schematischen Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 den Strahlengang eines optischen Teilchenspektrometers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der dem Sekundärelektronenvervielfacher (Fig. 1) nachgeschalteten elektrischen Auswertungseinrichtung sowie der Ansteuerung einer im Laserstrahl angeordneten Kerr- oder Pockelzelle,

Ein aus einem als Lichtquelle dienender Laser 1 austretender Laserstrahl 2 wird mit Hilfe einer Linse L₁ auf eine Lochblende B₁ fokussiert. Die Lochblende B₁ ihrerseits wird durch eine Linse L„ vergrößert und astigmatisch abgebildet. In einem Meßvolumen V ist dabei der Laserstrahl 2 zu einer Brennlinie fokussiert. Die Entfernung zwischen Meßvolumen V und Linse L soll möglichst groß sein; zwischen Lochblende B₁ und Meßvolumen V sind weitere Blenden B angeordnet. Hierdurch wird das Meßvolumen V gegen das abgebeugte Licht an der Lochblende B sowie gegen Streulicht der Linse L„ abgeschirmt.

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Mit einem Prüfluftstrom Q mitgeführte Teilchen durchlaufen im Meßvolumen V den Laserstrahl 2 und geben dabei einen Streulichtimpuls ab. Von diesem Streulicht: wird der in den engen Vorwärtsbereich entfallende Anteil durch Linsen L_ und Ll wieder gesammelt, wobei das jeweils streuende Teilchen in eine Lochblende B_p abgebildet wird. Das durch die Lochblende B hindurchtretende Streulicht gelangt auf einen Photodetektor (SEV). Er liefert ein elektrisches Signal, das der Streulichtintensität proportional ist. Die Teilchengröße ergibt sich daraus über den Zusammenhang zwischen erfaßter Streulichtintensität und Teilchengröße d.

Im Anschluß an das Meßvolumen V gelangt der nicht gestreute, direkte Laserstrahl 2 durch Ausnehmungen, in einer Linse L„ und einen Umlenkspiegel S in eine Lichtfalle 3 und wird so aus dem das Teilchen abbildenden Strahlengang getrennt»

Üblicherweise wird das Signal am Photodetektor unmittelbar einem Vielkanal-Impulsanalysator mit linearer Aufteilung der Kanäle zugeführt. Man erhält dabei eine stark verzerrte Skala für die Teilchengröße d, die dem .Auflösungsvermögen des TeIlchengrößenspektrometers nicht im ganzen erfaßten Teilchengrößeiibereich angepaßt ist.

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Dieser Nachteil wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einfachen Mitteln vermieden. Gemäß Fig. 2 wird die Signalspannung des Photodetektors (SEV) nach Verstärkung in einem Verstärker V₁ über einen Potentiometer P mit logarithmischer Widerstandsbelegung geteilt. Die Spannung am Abgriff des Potentiometers P wird über einen Verstärker V_ einem fest eingestellten Einkanal-Impulshöhenanalysator D zugeführt. Dieser erfaßt alle Impulse mit einer Spannung U +_ /\XJ und leitet sie einem Zähler Z₁ zu. Bei jeder Abgriffstellung des Potentiometers P wird eine bestimmte Teilchengröße d registriert. Aufgrund des bekannten Zusammenhangs zwischen der Intensität des in die enge Vorwärtskeule gestreuten Lichtes eines beleuchteten Teilchens und der Teilchengröße d läßt sich dann der Abgriff des Potentiometers P in den verschiedenen Größenbereichen jeweils mit einer logarithmischen Skala in Teilchengrößen eichen.

Alle am Ausgang "des Verstärkers V₁ erscheinenden Impulse werden über einen Schwellwertschalter S vom Störsignaluntergrund getrennt und einem Zähler Z_ zugeleitet. Auf diese Veise wird die Konzentration des zu analysierenden Aerosols bestimmt und kontrolliert.

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Da sich die Streulichtintensität mit der vierten bis sechsten Potenz des Teilchendurchmessers d ändert, würde der Photodetektor beim Durchgang der größten vorkommenden Teilchen durch das Meßvolumen überlastete Um dies zu vermeiden, wird die
Intensität des Laserstrahles 2, der von vorne herein polarisiert ist, durch eine vom Ausgang des Photodetektors gesteuerte Pockel- oder Kerrzelle K verringert, wenn der Photostrom einen einstellbaren Wert überschreitet₀ Hierzu wird das Signal am
Ausgang des Photodetektors (SEV) abgenommen und mittels eines Diskriminators D mit einer vorwählbaren Spannung U₀ verglichene Überschreitet die vom Photodetektorstrom abgeleitete Spannung diese Spannung U_n, so wird über einen Verstärker V^ eine Pockel- oder Kerrzelle so angesteuert, daß in bekannter Weise die Intensität des Laserstrahles 2 verringert wird. Zu diesem Zweck ist die Kerrzelle K im Laserstrahl 2 angeordnet»

Der Anstieg des Signals am Photodetektor erfolgt während
einiger MikrοSekunden; demgegenüber vermag eine Pockel- oder
Kerrzelle innerhalb einer kürzeren Zeit als o,1 Mikrosekunden zu schalten, so daß der gewünschte Schutz des Photodetektors
und insbesondere der Photokathode gegen Überlastung erreicht
wird« Dieser Überlastungsschutz setzt nur bei Teilchen größer als etwa lo/um ein.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Messen der Konzentration und/oder Größe von beleuchteten Schwebstoffteilchen nach dem Streulichtverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwebstoffteilchen mit einem Laserstrahl (2) beleuchtet werden und daß von dem Streulicht die Vorwärtskeule innerhalb eines Winkels von etwa +^ 15 ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Auswertung der Vorwärtskeule ein Photodetektor verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Laserstrahls (2) verringert wird, wenn der Anodenstrom des Photodetektors einen vorgegebenen Wert überschreitet«

3* Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der Intensität des Laserstrahles (2) durch Ansteuerung einer im Laserstrahl (2) angeordneten Kerr- oder Pockelzelle (κ) über den Anodenstrom des Photodetektors erfolgt.

4» Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Photodetektors einem logarithmisch belegten Potentiometer zugeführt wird«

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5. Verfahren nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal am Abgriff des Potentiometers einem fest eingestellten Einkana.i - Impulshöhenanalysator zugeführt wird,

6. Verfahren nach Anspruch k und 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Potentiometers mit einer logarithmisch geteilten Skala in Teilchengroßen geeicht wird.

ORIGINAL

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