DE2260313C2 - Method and device for the determination of fine dust concentrations - Google Patents

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Primärlichtquelle eine GaAs-Lumineszenz-Diode und der Streulichtempfänger eine Silicium-Fotodiode ist.2. Apparatus according to claim I _1, characterized in that the primary light source is a GaAs luminescence diode and the scattered light receiver is a silicon photodiode.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem phasenempfindlichen Gleichrichter (14) ein Verstärker (16) nachgeordnel ist, welcher mit einem Analoganzeigeinstrument oder, unter Zwischenschaltung eines Analog-Digital-Wandlers (17), mit einer mehrstelligen LED Anzeigeeinheit (18) gekoppelt ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the phase-sensitive Rectifier (14) is an amplifier (16) nachgeordnel, which with an analog display instrument or, with the interposition of an analog-digital converter (17), with a multi-digit LED Display unit (18) is coupled.

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Das Patent 22 60 150 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Meßwerten der Konzentration des lungengängigen Feinstaubanteiles von 0,5 bis 7 μίτι, die mit der Kurve für die Depositionswahrscheinlichkeit in den Lungenalveolen übereinstimmen, in einer Atmosphäre durch Messung der Stärke des an dem Staubteilchen bei Auftreffen des Primärlichtes entste- b5 henden Streulichtes, das unter einem Streuwinkel von bis 80°, vorzugsweise 70°, gegen die Richtung des Primärlichtes von den Staubteilchen hervorgerufen wird, wobei das von der Lichtquelle ausgesendete Primärlicht eine Wellenlänge von 1000 bis 2000 nm besitzt, jedoch kann ein Gerät mit einer Lichtquelle, die ein Primärlicht einer Wellenlänge von 800 bis 2000 nm ausstrahlt, ebenfalls noch im Erfindungssinne zufriedenstellende Ergebnisse liefern.The patent 22 60 150 relates to a method for determining measured values of the concentration of respirable fine dust fraction of 0.5 to 7 μίτι, the coincide with the curve for the probability of deposition in the pulmonary alveoli, in one atmosphere by measuring the strength of the dust particles produced when the primary light hits b5 existing scattered light, which is at a scattering angle of up to 80 °, preferably 70 °, against the direction of the Primary light is caused by the dust particles, which is emitted by the light source Primary light has a wavelength of 1000 to 2000 nm, but a device with a light source that emits a primary light with a wavelength of 800 to 2000 nm, which is also still satisfactory in the sense of the invention Deliver results.

Zum Lichtstärkenvergleich wurde bislang ein fotoelektrisches System verwendet, das entweder aus einem Fotoempfänger besteht, der alternierend vom Vergleichslicht und von dem Anteil des Streulichtes, das unter einem mittleren Wert von 60 bis 80°, vorzugsweise 70°, zum Primärlicht durch ein Austrittsfenster die Meßkammer verläßt, getroffen wird oder aus zwei gleichartigen Fotoempfängern, von denen der eine das Vergleichslicht und der andere den Anteil des Streulichtes, das unter einem mittleren Wert von 60 bis 80°, vorzugsweise 70°, zum Primärlicht durch ein Austrittsfenster die Meßkammer verläßt, empfängt (DE-OS 20 51 546).To compare the light intensity, a photoelectric system has been used so far, which consists of either a Photo receiver consists, which alternates from the comparison light and from the portion of the scattered light that below a mean value of 60 to 80 °, preferably 70 °, to the primary light through an exit window Leaving the measuring chamber, being hit or from two similar photo receivers, one of which is the Comparative light and the other the proportion of scattered light that is below a mean value of 60 to 80 °, preferably 70 °, to the primary light leaves the measuring chamber through an exit window, receives (DE-OS 20 51 546).

Die Methode der Lichtstärkenvergleichsmessung bringt den Nachteil von räumlich wie zahlenmäßig aufwendigen optischen Einrichtungen mit sich.The method of comparative luminous intensity measurement has the disadvantage of both spatial and numerical factors complex optical facilities with it.

Das Gerät zur Durchführung des Verfahrens wird unhandlich und erfordert zwangsläufig eine optisch gegenüber dem Licht der Atmosphäre geschützte Meßkammer.The device for carrying out the method becomes unwieldy and inevitably requires an optical one measuring chamber protected from the light of the atmosphere.

Aus der US-PS 3 51 066 ist es bekannt, z.B. Trübungen, vorzugsweise von Flüssigkeiten, in einem möglichst weiten Meßbereich auf der J.T.U.-Skala zu messen. Hier werden die von einer nicht näher bezeichneten Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen durch die in einer Meßzone befindlichen Trübungsstoffe teilweise gestreut. Von den zwei benötigten lichtempfindlichen Meßzellen empfängt die eine das durch das Meßmedium direkt durchfallende Licht, die andere das unter einem relativ kleinen Winkel gestreute Licht; außerdem ist eine Eichlichtquelle vorgesehen. Die den Empfängern nachgeschaltete elektrische Schaltung dient im wesentlichen der Division der von den beiden lichtempfindlichen Meßzellen gelieferten Meßsignale auf elektrischem Wege, so daß es sich erübrigt, zwei Meßwerte abzulesen und dann erst, nach durchgeführter Division, aus einem Diagramm den gewünschten Trübungswert abzulesen. — Eine solche Meßeinrichtung hat den durch die Zweistrahligkeit bedingten Nachteil, daß sie unter anderem anfälliger gegen Störungen ist; außerdem kann sie nur in einem vom Umgebungslicht geschützten Rohrsystem verwendet werden, da jegliches Fremdlicht das Meßergebnis verfälschen würde. Schließlich weist ein solches, für große Meßbereiche eingerichtetes Gerät nur bei hohem elektrischen Aufwand an der unteren Grenze seines Meßbereiches eine ähnlich hohe Auflösung auf, wie sie erforderlich ist, um das erfindungsgemäße Meßproblem zu lösen.From US-PS 3,51,066 it is known, for example, cloudiness, preferably of liquids, in one to measure the widest possible measuring range on the J.T.U.-scale. Here one does not get closer designated light source emanating light rays through the opacities located in a measuring zone partially scattered. Of the two light-sensitive measuring cells required, one receives the through the Light transmitted directly through the measuring medium, the other the light scattered at a relatively small angle; a calibration light source is also provided. The electrical circuit downstream of the receivers essentially serves to divide the measuring signals supplied by the two light-sensitive measuring cells by electrical means, so that there is no need to read off two measured values and then only after the one Division, read off the desired turbidity value from a diagram. - Such a measuring device has the disadvantage caused by the double beam that they are more susceptible to, among other things Interference is; in addition, it can only be used in a pipe system protected from ambient light as any extraneous light would falsify the measurement result. Finally, one such, for Large measuring ranges set up device only with high electrical expenditure at the lower limit of his Measurement range has a similarly high resolution as is required to solve the measurement problem according to the invention to solve.

Aus der DE-OS 15 98 226 ist weiterhin bekannt, Aerosole in der Luft dadurch festzustellen, daß eine Lichtquelle impulsweise betrieben wird und ein lichtempfindliches Element das durch die Lichtquelle erzeugte Streulicht mißt, wobei das lichtempfindliche Element und zumindest Teile eines ihm nachgeschalteten Verstärkers periodisch einschaltbar sind, wobei deren Einschaltperiode durch diejenige der impulsweise betriebenen Lichtquelle bestimmt ist. — Eine dementsprechende Vorrichtung ist jedoch lediglich dafür geeignet, die Anwesenheit oder das Fehlen von Aerosolen in der Luft festzustellen und ist nicht in der Lage, zwischen unterschiedlich großen Partikeln zuFrom DE-OS 15 98 226 is also known to determine aerosols in the air that a Light source is operated in pulses and a light-sensitive element through the light source generated scattered light measures, wherein the photosensitive element and at least parts of a downstream of it Amplifier can be switched on periodically, the switch-on period being changed by that of the pulsed operated light source is intended. - A corresponding one However, the device is only suitable for the presence or absence of Aerosols are detected in the air and are unable to move between differently sized particles

unterscheiden und nur die lungengängigen Feinstaubpartikel zu messen und zu bewerten. Insbesondere ist es auch bei einer Kombination der bisher bekannten Geräte und Methoden möglich, eine hinreichend genaue Bestimmung von Meßwerten der Konzentration des lungengängigen Feinstaubanteiles von 0,5 bis 7 μπι, die mit der Kurve für die Depositionswahrscheinlichkeit in den Lungenalevolen übereinstimmen, in einer zur Atmosphäre hin offenen Meßkammer durchzuführen. distinguish and only the respirable fine dust particles to measure and evaluate. In particular, it is also with a combination of the previously known Devices and methods are possible, a sufficiently precise determination of measured values of the concentration the respirable fine dust fraction of 0.5 to 7 μπι, which coincide with the curve for the deposition probability in the pulmonary alevoli, in one to carry out a measuring chamber open to the atmosphere.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Gerät zu schaffen, das spezifisch den lungengängigen Feinstaub erfaßt, gegen Fremdlichteinfiüsse unempfindlich ist, dabei leicht ist und meßtechnisch möglichst wenig aufwendig.It is therefore the object of the invention to create a device that specifically removes particulate matter in the lungs detected, is insensitive to the influence of extraneous light, is light and is as little as possible in terms of measurement technology laborious.

Um eine möglichst niedrige untere Konzentrationsgrenze zu erreichen und das Gerät mit offener Meßkammer betreiben zu können, sollen Störeinflüsse dur^h das Umgebungslicht beseitigt werden. Deshalb wird zweckmäßigerweise der Betriebsstroir· der Lichtquelle mit einer Frequenz, z. B. von 1 kHz moduliert und der Empfänger selektiv auf diese Frequenz abgestimmt. Ein schmaJbandiger Nachweis des Meßsignals mit maximalem Abstand zu Störsignalen kann durch Verwendung eines phasenempfindlichen Gleichrichters erreicht, dessen Referenzsignal direkt von der Versorgungsstufe der Lichtquelle abgenommen wird. Der Verstärkungsfaktor des nachgeschalteten Verstärkers soll im Toleranzbereich stufenlos nachregelbar sein, um das Gerät nach einer bestimmten Betriebszeit unter Verwendung eines Streustandards auf die gleiche Meßanzeige nachstellen zu können. Das Meßsig.ial kann erfindungsgemäß über einen Analog-Ausgang au) einen Kompensationsschreiber zur kontinuierlichen Registrierung gegeben sowie über einem Analog-Digital-Wandler einer 3stelligen LED-Anzeigeeinheil zugeführt werden.In order to achieve the lowest possible lower concentration limit and the device with open To be able to operate the measuring chamber, interference should be eliminated by the ambient light. That's why is expediently the operational disturbance of the light source at a frequency, e.g. B. modulated by 1 kHz and the receiver is selectively tuned to this frequency. A narrow detection of the measurement signal with a maximum distance to interference signals can be achieved Using a phase sensitive rectifier achieved its reference signal directly from the supply stage the light source is removed. The gain of the downstream amplifier should be infinitely adjustable within the tolerance range in order to keep the device below To be able to readjust using a scatter standard on the same measurement display. The Messsig.ial can according to the invention via an analog output au) a compensation recorder for continuous Registration given and supplied to a 3-digit LED display unit via an analog-digital converter will.

Zur besseren Handhabung des Gerätes wird auch für die direkte Messung der Lichtintensität die Meßkammer in Form eines Rohres ausgebildet, das in axialer Richtung nach beiden Seiten offen ist. Die Messung erfolgt dann in der Weise, daß das Gerät einfach in die die Feinstaub enthaltende Atmosphäre gehalten wird. Der Feinstaub dringt von selbst in die Meßkammer ein, und seine Konzentration kann durch Auslösen der Meßeinrichtung bestimmt werden. Damit das Meßergebnis aufgrund von Reflexionen des Primärlichtes nicht verfälscht wird, sind geeignete Blenden und Lichtfallen innen an den Meßkammerwänden in der Weise angeordnet, daß kein von den Meßkanimerwänden reflektiertes Licht des Primärstrahls das Empfängersystem erreicht. Die räumliche Anordnung der Blenden und Lichtfallen ergibt sich aus der Geometrie der Meßkammer.For better handling of the device, the measuring chamber is also used for direct measurement of the light intensity designed in the form of a tube which is open in the axial direction on both sides. The measurement then takes place in such a way that the device is simply held in the atmosphere containing the fine dust. The fine dust enters the measuring chamber by itself, and its concentration can be controlled by triggering the Measuring device are determined. So that the measurement result is due to reflections of the primary light is not falsified, suitable screens and light traps are on the inside of the measuring chamber walls in the Arranged in such a way that no light of the primary beam reflected from the measuring channel walls reaches the receiver system achieved. The spatial arrangement of the apertures and light traps results from the geometry the measuring chamber.

Weitere Verbesserungen ergeben sich aus den Unleransprüchen.Further improvements result from the claims.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with the aid of a drawing.

In der Fig. 1 ist der Strahlengang des Gerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer in Form eines Rohres ausgebildeten Meßkammer dargestellt Die Fig.2 zeigt das Blockschaltbild der elektrischen Bauelemente zur Verarbeitung des Meß-The beam path of the device for carrying out the method according to the invention is shown in FIG a measuring chamber designed in the form of a tube. FIG. 2 shows the block diagram of electrical components for processing the measurement

s signals.s signals.

Nach der Fig. 1 durchsetzt ein von der Lichtquelle 1, bestehend z. B. einer GaAs-Lumineszenz-Diode, ausgesandtes und von der Linse 2 parallel gerichtetes Lichtbündel als Primärlicht 3, die senkrecht zurAccording to Fig. 1 penetrated by the light source 1, consisting z. B. a GaAs luminescent diode, sent out and from the lens 2 parallel light bundle as primary light 3, which is perpendicular to

ίο Bildebene offene Meßkammer 4. Das durch die Eintrittsöffnung 5 einfallende Primärlicht 3 trifft in der Meßkammer 4 auf die Feinstaubteilchen. Unter einem mittleren Winkel von 60 bis 80°, beispielsweise 70°, gegen die Richtung des Primärlichtstrahles 3 ist an derίο image plane open measuring chamber 4. The through the The primary light 3 incident on the inlet opening 5 strikes the fine dust particles in the measuring chamber 4. Under a mean angle of 60 to 80 °, for example 70 °, against the direction of the primary light beam 3 is at the

Meßkammer 4 für das vom Meßvolumen 6 ausgehende Streulicht 7 ein Empfänger 8, z. B. eine Silizium-Fotodiode angeordnet. Er dient zur Messung nur des Anteils des Streulichtes 7, der unter einem mittleren Winkel von 60 bis 80°, beispielsweise 70°, über eine Linse 9 durch die Austrittsöffnung 10 der Meßkammer 4 zum Empfänger 8 gelangt. Der Empfänger besitzt eine maximale Empfindlichkeit, die gerade bei der Wellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Lichtes liegt. Empfänger und Lichtquelle kommen mit einer niedrigen Versorgungsspannung aus, die bei ca. 3,7 V liegt und einer im Gerät untergebrachten Batterie entnommen wird. Die das Lichtsignal auswertenden elektrischen Bauelemente wie Gleichrichter, Verstärker, Wandler etc. und auch die Strom liefernde Batterie sind bei 11 untergebracht.Measuring chamber 4 for the scattered light 7 emanating from the measuring volume 6, a receiver 8, e.g. B. a silicon photodiode arranged. It is used to measure only the portion of the scattered light 7 that occurs at a mean angle of 60 to 80 °, for example 70 °, through a lens 9 through the outlet opening 10 of the measuring chamber 4 to Receiver 8 arrives. The receiver has a maximum sensitivity, which is precisely the wavelength of the light emitted by the light source. Receiver and light source come with a low Supply voltage, which is approx. 3.7 V, and taken from a battery housed in the device will. The electrical components that evaluate the light signal, such as rectifiers, amplifiers, converters etc. and also the battery supplying current are at 11 housed.

An den MeBkammerwänden sind geeignete Blenden und Lichtfallen 12 angeordnet, die das an den Kammerwänden reflektierte Licht absorbieren, so daß dieses nicht den Empfänger erreicht und das Meßergebnis verfälscht.There are suitable screens on the walls of the measuring chamber and light traps 12 arranged which absorb the light reflected on the chamber walls, so that this does not reach the recipient and falsifies the measurement result.

Gemäß F i g. 2 emittiert die z. B. aus einer GaAs-Lumineszenzdiode bestehende Lichtquelle 1 einen Lichtstrahl, der teilweise als Streulicht vom Empfänger 8, z. B. einer Silizium-Fotodiode aufgenommen wird. ÜberAccording to FIG. 2 issues the z. B. from a GaAs light emitting diode existing light source 1 a light beam, which is partially as scattered light from the receiver 8, z. B. a silicon photodiode is added. Above

w einen Vorverstärker 13 gelangt das Meßsignal auf einen phasenempfindlichen Gleichrichter 14. der ebenso wie die Lichtquelle von einem Oszillator 15 synchron gesteuert wird, z. B. mit einer Frequenz von 1 kHz. Damit ist sichergestellt, daß phasenverschobenes Fremdlicht den Empfänger 8 nicht passieren kann. Störeinflüsse durch das Umgebungslicht bei offener Meßkammer werden damit ausgeschaltet. Der nachgeschaltete Verstärker 16 besitzt einen Verstärkungsfaktor, der im Toleranzbereich stufenlos nachregelbar ist, um unter Verwendung eines Streustandards nach längerer Unterbrechung der Messungen auf die gleiche Meßanzeige nachstellen zu können (Nullpunkteinstellung und Eichung). Das Meßsignal kann über einen Analog-Ausgang auf einen Kompensationsschreiber zur kontinuierlichen Registrierung gegeben werden oder über einen Analog-Digital-Wandler 17 einer 3stelligen LED-Anzeigeeinheit 18 zugeführt werden. Die Versorgung der elektrischen Bauelemente mit Strom erfolgt über eine Batterie 19. w a preamplifier 13, the measurement signal is sent to a phase-sensitive rectifier 14 which, like the light source, is controlled synchronously by an oscillator 15, e.g. B. at a frequency of 1 kHz. This ensures that phase-shifted extraneous light cannot pass the receiver 8. Interfering influences from the ambient light when the measuring chamber is open are thus eliminated. The downstream amplifier 16 has a gain factor which can be continuously adjusted within the tolerance range in order to be able to readjust to the same measurement display using a scatter standard after a long interruption of the measurements (zero point setting and calibration). The measurement signal can be sent via an analog output to a compensation recorder for continuous registration or supplied via an analog-digital converter 17 to a 3-digit LED display unit 18. The electrical components are supplied with electricity via a battery 19.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung von Meßwerten der Konzentration des lungengängigen Feinstaubanteils von 0,5 bis 7 μΐη, die mit der Kurve für die Depositionswahrscheinlichkeit in den Lungenalveolen übereinstimmen, in einer Atmosphäre durch Messung der Stärke des an den Staubteilchen bei Auftreffen von ultrarotem Primärlicht von etwa 800 bis 2000 nm Wellenlänge entstehenden Streulichtes, das unter einem Streuwinkel von 60" bis 80°, vorzugsweise 70°, gegen die Richtung des Primärlithtes von den Staubteilchen hervorgerufen wird gemäß Patent 22 60150 in Form eines gegen Fremdlichteinflüsse unempfindlichen tragbaren Einstrahlgerätes mit unmittelbarer Verhinderung der Meßkammer zur Atmosphäre, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale1. Device for carrying out the method for determining measured values of the concentration the respirable fine dust fraction of 0.5 to 7 μΐη, which is with the curve for the deposition probability in the pulmonary alveoli match, in an atmosphere by measuring the strength of the dust particles when incident ultrared primary light of about 800 to 2000 nm Wavelength resulting scattered light, which is at a scattering angle of 60 "to 80 °, preferably 70 °, against the direction of the primary lithium, is caused by the dust particles according to the patent 22 60 150 in the form of a portable radiation device that is insensitive to the effects of external light immediate prevention of the measuring chamber to the atmosphere, characterized by the Combination of the following features 2020th a) eine rohrähnlich ausgebildete Meßzone (4), die vorzugsweise in axialer Richtung nach zwei gegenüberliegenden Seiten zur Atmosphäre hin offen ist und deren Wände mittels Blenden und Lichtquellen (12) gegen Reflexionen des Primärlichtes geschützt sind,a) a tube-like measuring zone (4), which is preferably in the axial direction after two opposite sides is open to the atmosphere and its walls by means of panels and Light sources (12) against reflections of the primary light are protected b) die Primärlichtquelle (1) und ein Streulichtempfänger (8) in der Wandung der Meßzone (4) derart angeordnet sind, daß sie einen Winkel von etwa 70° bilden und die so aufgespannte Ebene etwa parallel zu den offenen Seiten der Meßzone (4) liegt,b) the primary light source (1) and a scattered light receiver (8) in the wall of the measuring zone (4) are arranged so that they form an angle of about 70 ° and the so spanned Plane is approximately parallel to the open sides of the measuring zone (4), c) die Primärlichtquelle (1) nur Licht einer Wellenlänge von etwa 800 bis 1000 nm ausstrahlt, c) the primary light source (1) only emits light with a wavelength of about 800 to 1000 nm, d) ein phasenempfindlicher Gleichrichter (14) dem Streulichtempfänger (8) mit nachfolgendem Meßsignalverstärker (13) nachgeordnet ist undd) a phase-sensitive rectifier (14) the scattered light receiver (8) with the following Measurement signal amplifier (13) is arranged downstream and e) ein synchron modulierender Oszillator (15) mit der Betriebsstromquelle des Primärlichtes (1) und dem phasenempfindlichen Gleichrichter (14) gekoppelt ist.e) a synchronously modulating oscillator (15) with the operating current source of the primary light (1) and the phase sensitive rectifier (14) is coupled.