DE4105190A1 - Streulichtaerosoldetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Streulichtaerosoldetektor mit einem optischen Sensor und einer geschlossenen Meßzelle.

Streulichtaerosoldetektoren sind bekannt und kommerziell erhältlich. Dies gilt auch für Streulichtaerosoldetektoren mit optischen Sensoren. Sie verfügen entweder über eine offene oder über geschlossene Meßzelle. Nachteilig bei diesen Geräten des Standes der Technik ist, daß das optische System verschmutzungsanfällig ist. Ver­ schmutzungspartikel können sich sowohl an den Meßkammerinnenwänden wie auch an den Abbildungslinsen ansammeln. Dies gilt besonders für offene Meßzellen, aber auch für geschlossene Meßzellen, die ebenfalls eine Verschmutzung der Meßkamme­ rinnenwände und der Abbildungslinsen aufgrund der großen Dimensionen der Meß­ zelle mit sich bringen. Bei den geschlossenen Meßzellen ist weiter nachteilig, daß diese aufgrund ihrer großen Abmessung schlecht handhabbar sind.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Streulichtaerosoldetektor mit einem optischen Detektionssystem anzugeben, der eine Verschmutzung von Meßkammerin­ nenwänden und Abbildungslinsen vermeidet und der dadurch zu deutlich geringeren Meßfehlern führt. Dieser optische Aerosoldetektor sollte zudem in Abmessungen so gewählt sein, daß die Bauform möglichst klein ist, d. h. in der Größenordnung von bis zu 10 Zentimeter für die eigentliche Meßzelle, so daß eine optimale Handhabbarkeit und optimaler Einsatz des System für die verschiedensten Anwendungsbereiche ge­ geben ist.

Die Funktionsweise des optischen Aerosolsensors beruht auf den Lichtstreueigen­ schaften von kleinen, luftgetragenen Partikeln. Das zu detektierende Aerosol wird mittels einer Pumpe angesaugt und einer Meßzelle zugeführt. In die Meßzelle sind eine Lichtquelle (Laserdiode) und ein optisches Empfangssystem eingebaut. Ein der­ artiges optisches System ist z. B. in der DE 37 37 129 beschrieben. Der Empfänger (Phothalbleiter) detektiert die gesamte Lichtmenge, die von allen sich gleichzeitig im Meßvolumen befindenden Partikeln in einen schmalen Winkelbereich gestreut wird. Das Empfängersignal ist bei konstanter Eingangsintensität und konstanter Korn­ größenverteilung des Staubes proportional zur Staubkonzentration. Unter diesen Voraussetzungen kann der Aerosolsensor als Konzentrationsmonitor mit sehr gutem zeitlichen Auflösungsvermögen eingesetzt werden. Das nicht vom Aerosol gestreute Licht wird in einer dem Sender gegenüberliegend angeordneten speziellen Lichtfalle gemäß beiliegender Abbildung vernichtet.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, daß der Streulichtaerosoldetektor mit dem optischen Sender, eine Meßzelle aufweist, die eine längliche Bauform hat. Längliche Bauform im Sinne dieser Erfindung heißt, daß die Meßzelle so gebaut ist, daß ein Aerosolstrom hindurchgeführt werden kann, also z. B. zylindrisch oder rechteckig. Der Aerosolvolumenstrom, d. h. der Strom, der gemessen werden soll, ist dabei von einem Reinluftstrom umhüllt wobei dieser gesamte Volumenstrom mittels einer Pumpe (im Bereich zwischen 0,1 und 1 l/min) in vertikaler Richtung von oben nach unten durch das optische Detektionssystem geführt wird, wobei das Verhältnis des Aerosolvolumenstroms zum gesamten Volumenstrom, d. h. dem Strom, der aus dem Aerosolvolumenstrom und dem Reinluftstrom resultiert, im Bereich zwischen 0,40 und 0,50 liegt und daß nach der Messung aus dem gesamten Volumenstrom ein Vo­ lumen als Abluft abgetrennt wird, das dem Aerosolvolumenstrom entspricht und der restliche Volumenstrom als Reinluftstrom dem Aerosolvolumenstrom in Kreislauf zugeführt wird.

Entscheidend ist demnach nicht nur, daß der Aerosolvolumenstrom von einem Reinluftstrom umhüllt ist, sondern das Verhältnis des Aerosolvolumenstroms zum Gesamtvolumenstrom, das sich im Bereich zwischen 0,4 und 0,5 bewegen muß. Mit diesem Bereich konnten im Versuch die besten Ergebnisse erzielt werden. Als be­ sonders günstig hat es sich dabei herausgestellt, wenn ein Verhältnis zwischen 0,42 - 0,45 eingehalten wird. In diesem Fall wird ein äußerst stabiler Aerosolstrom erreicht.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, daß durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sensors in einem geschlossenen System, die Vorteile eines geschlossenen Systems mit Kleinen Abmessungen verbunden sind. Dadurch werden die Eingangs im Stand der Technik geschilderten Nachteile der Verschmutzung der Linse gelöst und gleich­ zeitig eine Kleine Bauform verwirklicht.

Erfindungsgemäß ist die Meßzelle zylindrisch, wobei diese zylindrische Meßzelle am oberen Ende, d. h. auf der Seite, auf der der Aerosolvolumenstrom zugeführt wird, am Zylinderdeckel einen zylindrischen Aerosoleinlaß aufweist und daß die zylindrische Meßzelle in der Nähe des zylindrischen Bodens unterhalb des optischen Sensors ein Absaugstück für den gesamten Volumenstrom aufweist sowie unterhalb des zylindri­ schen Deckels und oberhalb des optischen Sensors einen Umlufteinlaß für den Reinluftstrom. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird gewährleistet, daß der gesamte Volumenstrom durch das optische System geführt werden kann und daß der Reinluftstrom im Kreislauf über ein Filter und über eine Pumpe in die Meßzelle zurückgeführt werden kann. Die zylindrische Meßzelle weißt dabei bevorzugt nur eine Höhe von 30 bis 100 mm und einen Durchmesser von 15 bis 30 mm auf. Zur Be­ werkstellung des Kreislaufes sind in dem Verbindungsstück zwischen Umlufteinlaß und Absaugstück eine Pumpe und Kapillardrosseln vorgesehen. Mit Hilfe der Kapillardrosseln werden dabei die Volumenströme gesteuert. Zusätzlich ist noch in dem Verbindungsstück ein Filter zur Reinigung des Aerosolstroms vorgesehen.

Der Sensor zeichnet sich deshalb besonders dadurch aus, daß er eine äußerst kleine Bauform (bis max. 10 Zentimeter Höhe) aufweist und die Tatsache, daß ein Reinluftsystem zum Schutz der Meßkammerinnenwände und der Abbildungslinsen eingeführt wurde. Dadurch werden Meßfehler vermieden, die bei vergleichbaren Ge­ räten durch zunehmende Verschmutzung der Meßzelle hervorgerufen werden. Der Reinluftmantel wird unter Zuhilfenahme von Strömungsdrosseln ebenfalls von der Ansaugpumpe aufrechterhalten. Der Reinluftmantel ist im wesentlichen Umluft, die am Ausgang des Sensors entnommen, gefiltert und dann konzentrisch, den Aerosol­ strom einhüllend, in den oberen Sensorteil wieder eingeführt wird. Die eingebauten Kapillardrosseln garantieren eine exakte Aufteilung der Luftdurchsätze. Die Pumpe entzieht dem Sensor beispielsweise 1.15 l/min. Davon werden 0.65 l/min wieder zu­ rückgeführt. Die abgeblasenen Mengen entsprechen genau dem angesaugten Aero­ solstrom. Entscheidend ist, daß das Verhältnis zwischen dem Aerosolvolumenstrom und dem gesamten Volumenstrom durch den Sensor einen Wert im Bereich zwischen 0.40 und 0.50 haben muß, damit der Arosolstrahl stabil bleibt und somit keine Parti­ keln an die Linsen gelangen. Die absoluten Werte können variiert werden, und zwar für den Einlauf zwischen 0.1 und 1 l/min und für den Gesamtstrom durch die Meß­ zelle zwischen 0.22 bis 2.2 l/min.

Pumpe, Meßzelle und elektronische Auswerteeinheit sind in einem Gehäuse unter­ gebracht. Als Signalausgang steht ein Analogausgang (0-5 V) zur Verfügung.

Typische Anwendungen des Aerosolsensors sind:

• - Messung des zeitlichen Verlaufs der Staubkonzentration
• - Prozeßüberwachung und -steuerung
• - Filterüberwachung
• - Kontaminationsschutz
• - Rauchdetektion

Die Erfindung wird beispielhaft mit den Fig. 1 und 2 erläutert.

Fig. 1 zeigt die Funktionsweise des Aerosolsensors,

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau und die Größenverhältnisse der Meßzelle.

Fig. 1 zeigt nun an einem Beispiel die Funktionsweise des Aerosolsensors.

Der Aerosolvolumenstrom 11 wird dabei z. B. mit einem Volumenstrom von 0,5 ltr/Min durch den Aerosoleinlaß 6 gesaugt. Der Aerosoleinlaß 6 für den Aerosolvo­ lumenstrom 11 befindet sich dabei in der beispielhaften Ausgestaltung der Fig. 1 in der Mitte des Deckels 5 und weist eine zylindrische Form auf. Der zylindrische Aero­ soleinlaß 6 ist dabei so ausgeführt, daß er in vertikaler Richtung durch den Umluft­ einlaß 9 hindurchgeführt wird. Durch den Umlufteinlaß 9 wird dabei gleichzeitig Reinluft 12 mit der Pumpe 4 zugeführt. Dieser Reinluftstrom 12 umhüllt nun den Ae­ rosolstrom 11 und ein stabiler Aerosolstrahl wird durch das optische Detektionssy­ stem 2 geführt. Durch die Pumpe 4 wird dabei gleichzeitig der gesamte Aerosolvolu­ menstrom 13 durch das Absaugstück 8 gesaugt, wobei diesem Absaugstück 8 ein Filter 16 nachgeschaltet ist, damit der Aerosolvolumenstrom gereinigt werden kann. Dieser Aerosolvolumenstrom wird dann über Kapillardrosseln 15 zum Umlufteinlaß 9 geführt. Entscheidend dabei ist, daß nach der Pumpe 4 die Menge an Abluft ab­ gezweigt wird, die dem Aerosolvolumenstrom entspricht. Im Beispiel der Fig. 1 be­ deutet dies, wenn der Aerosolvolumenstrom 110,5 ltr/Min beträgt und 0,65 ltr/Min Reinluft 12 zugeführt wird, daß die Abluft 0,5 ltr/Min betragen muß. Das ganze Sy­ stem muß dabei so eingestellt werden, daß das Verhältnis zwischen dem Aerosolvo­ lumenstrom 11 und den gesamten Volumenstrom 13 im Bereich zwischen 0,40 und 0,50 liegt. Im Beispiel in Fig. 1 beträgt das Verhältnis 0,5 zu 1,15, d. h. 0,434. In Un­ tersuchungen wurde zudem festgestellt, daß, wenn ein Verhältnis zwischen 0,42 und 0,45 eingehalten wird, ein besonders stabiler Aerosolstrom erreicht wird, der sicher­ stellt, daß eine Verschmutzung des optischen Detektionssystems 2 vermieden wird. Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist, daß ein geschlos­ senes System eingesetzt wird und daß dieses geschlossene System durch den erfin­ dungsgemäßen Aufbau (Führung im Kreislauf) eine Bauweise erreicht werden kann, die Abmessungen erlaubt, wobei die Meßzelle eine Größe zwischen 3 und 10 cm aufweist und einen Durchmesser von lediglich 1,5 bis 3 cm. Aufgrund dieser vorteilhaften Ausgestaltung steht eine äußerst kleine Meßzelle zur Verfügung, die für die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten angewendet werden kann, wie z. B. zur Prozeßüberwachung und Steuerung, zur Filterüberwachung, Kontaminationsschutz und Rauchdetektion.

Fig. 2 zeigt nun die längliche Bauform der Meßzelle am Beispiel eines Zylinders. Die Meßzelle besteht in diesem Fall aus einem zylindrischen Aerosoleinlaß 6, der zentrisch am zylindrischen Deckel 5 angeordnet ist. Nach dem Umlufteinlaß 9 ist das optische Detektionssystem 2 angeordnet. Das optische Detektionssystem 2 ist in die­ sem Fall ein Detektionssystem, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, wie z. B. aus der DE 37 37 129. Es besteht dabei aus einer Lichtfalle 14, einem Empfänger 15, einem Sensor 16 und einer optischen Zelle 17. Diese sind ringförmig um den Zylin­ der angeordnet. An dieses optische Detektionssystem 2 schließt sich in vertikaler Richtung das Absaugstück 8 an, das einen Ausgang für den gesamten Aerosolvolu­ menstrom 13 aufweist. Dieser gesamte Aerosolvolumenstrom 13 wird dann wie in Fig. 1 erläutert, über ein Filter und Kapillardrosseln mittels einer Pumpe zum Um­ lufteinlaß 9 geführt. Von der baulichen Ausformung her ist im Falle der Meßzelle 3 aus Fig. 2 das Absaugstück identisch gestaltet, wie der Umlufteinlaß, d. h. der Um­ lufteinlaß 9 ist in diesem Fall ebenfalls ein Ansatzstück, das einen Einlaß für die Umluft aufweist. Zur Verdeutlichung sind in Fig. 2 noch die Größenverhältnisse der Zelle 3 angeführt. In diesem Fall weist die Meßzelle 3 eine Bauhöhe von 60 mm und einen zylindrischen Durchmesser von 22 mm auf. Der Aerosoleinlaß 6 hat dabei einen Durchmesser von 5 mm. Diese Größenverhältnisse machen noch einmal an­ schaulich deutlich, wie es durch die erfindungsgemäße Konstruktion möglich ist, daß der optische Sensor eine derart Kleine Abmessung erhalten kann.

Claims (5)

1. Streulichtaerosoldetektor (1) mit einem optischen Detektionssystem (2) und einer geschlossenen Meßzelle (3), zur Bestimmung von Aerosolen in einem Aerosolvolumenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (3) eine längliche Bauform aufweist und daß der Aerosolvolumenstrom (11) von einem Reinluftstrom (12) umhüllt ist und daß dieser Gesamtvolumenstrom (13) mittels einer Pumpe (4) in vertikaler Rich­ tung von oben nach unten durch das optische Detektionssystem (2) geführt wird, wobei das Verhältnis des Aerosolvolumenstroms (11) zum gesamten Volumenstrom (13) im Bereich zwischen 0,40 und 0,50 liegt und daß nach der Messung aus dem Gesamtvolumenstrom (13) ein Volumen als Abluft abge­ trennt wird, das dem Aerosolvolumenstrom (11) entspricht und der restliche Volumenstrom als Reinluftstrom dem Aerosolvolumenstrom (11) in Kreislauf zugeführt wird.

2. Streulichtaerosoldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (3) zylindrisch ist und diese zylindrische Meßzelle am Zylinderdeckel (5) einen zylindrischen Aerosoleinlaß (6) für den Aerosolvolumenstrom (11) aufweist und daß die zylindrische Meßzelle (3) in der Nähe des zylindrischen Bodens (7) unterhalb des optischen Detektionssy­ stems (2) ein Absaugstück (8) für den gesamten Volumenstrom (13), sowie un­ terhalb des zylindrischen Deckels (5) und oberhalb des optischen Detektions­ systems (2) einen Umlufteinlaß (9) für den Reinluftstrom (12) aufweist und daß der Umlufteinlaß (9) mit dem Absaugstück (8) verbunden ist, wobei in der Verbindung eine Pumpe (4) und ein Ablaß (10) für die Abluft angeordnet sind.

3. Streulichtaerosoldetektor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Meßzelle (3) eine Höhe von 30 bis 100 mm, einen Durchmes­ ser von 15 bis 30 mm hat und daß der Aerosoleinlaß (6) zylindrisch ist und einen Durchmesser von 2 bis 8 mm aufweist.

4. Streulichtaerosoldetektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (4) eine Membranpumpe ist und daß in der Verbindung zwi­ schen Absaugstück (8) und Umlufteinlaß (9) zur Regulierung des Luftstroms Kapillardrosseln (15) angeordnet sind.

5. Streulichtaerosoldetektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Absaugstück (8) und Pumpe (4) ein Filter (16) zur Reini­ gung des Luftstroms befindet.