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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen der Anwesenheit
von Allergenpartikeln in der Umgebungsluft und zur Bereitstellung
eines Alarms oder Betätigung eines
Filtersystems, wenn die erkannte Menge an Allergenpartikeln oberhalb
eines vorgegebenen Niveaus liegt.
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Viele Menschen sind allergisch gegen
Partikel in der Umgebungsluft, wie z. B. Staub, Pollen und ähnliche
Partikel, die sich häufig
in der eingeatmeten Umgebungsluft befinden. Der Großteil der
Partikel, auf die viele Menschen empfindlich reagieren, liegt gewöhnlich im
Größenbereich
von 5 bis 50 μm
(Mikrometer). Das Vorhandensein dieser Partikel in der von empfindlichen
oder allergischen Menschen eingeatmeten Luft kann Symptome wie Asthma,
Husten, Niesen sowie Hautausschläge
und Anaphylaxie hervorrufen. Für
diese Menschen ist es hilfreich, über hohe Niveaus an Allergenpartikeln
in der Umgebungsluft informiert oder davor gewarnt zu werden, um
es ihnen eventuell zu ermöglichen,
Medikamente einzunehmen, den Bereich zu verlassen oder Allergenfilter
zu aktivieren, bevor ernsthafte Symptome auftreten.
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Die US-Patentschrift 5.001.463 von
Hamburger beschreibt eine Vorrichtung zum Erkennen von Allergenpartikeln,
bei der Luft durch einen Durchgang geblasen wird, in dem ein Allergenpartikel-Messfühler zum
Einfangen von Partikeln der Größe von Allergenen
montiert ist. Das Ausgangssignal des Messfühlers richtet sich nach der
Menge eingefangener Partikel, und es wird ein Alarm ausgelöst, wenn
das Signal oberhalb des vorgegebenen Niveaus liegt. US-Anmeldung
5.315.115 offenbart eine Vorrichtung, die die nach dem Oberbegriff
der vorliegenden Patentansprüche
1 und 10 definierten Eigenschaften umfasst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein neues und verbessertes Allergenerkennungssystem und
-verfahren bereitzustellen, das durch eine Vorrichtung nach den
Ansprüchen
1 und 10 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 13 erzielt wird. weitere
Eigenschaften sind in den jeweiligen Patentansprüchen dargelegt. Es kann ein
Regelkreis an den Detektor angeschlossen werden, der ein Alarmausgangssignal
generiert, sobald der Detektorausgangswert oberhalb des vorgegebenen
Niveaus liegt.
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Das Alarmausgangssignal kann zur
Aktivierung einer hörbaren
oder sichtbaren Alarmeinrichtung oder zur Einschaltung eines Filter-
und Lüftungssystems
einschließlich
HEPA- (RTM) oder Allergenpartikelfilter eingesetzt werden. Das Filtersystem
kann ausgeschaltet werden, sobald die Menge erkannter Allergenpartikel
wieder auf ein sicheres Niveau gesunken ist. Die Vorrichtung wird
wahrscheinlich relativ klein und ihre Konstruktion für die Wandmontage
geeignet sein.
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Die strahlenunterbrechende Vorrichtung
umfasst vorzugsweise eine Scheibe aus lichtunterbrechendem Material,
die auf die optische Achse zentriert ist und einen vorgegebenen
Durchmesser aufweist, um das gesamte ungestreute Licht und das unterhalb
eines vorgegebenen Mindestwinkels gestreute Licht zu unterbrechen,
das von Partikeln gestreut wird, die größer als 50 μm sind, und einen ringförmigen Ring
aus lichtunterbrechendem Material mit einem Innendurchmesser, der
dem vorgegebenen maximalen Streuwinkel entspricht, so dass Licht
unterbrochen wird, das von Partikeln mit einer Größe von weniger
als 5 μm
gestreut wird. Die Sammellinse ist so angeordnet, dass sie den Lichtstrahl
auf die zentrale strahlenunterbrechende Scheibe fokussiert.
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In einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung ist die Lichtquelle eine LED-Diode. Durch Fokussieren
des Ausgangsstrahls der LED-Diode auf die strahlenunterbrechende
Scheibe wird die Notwendigkeit umgangen, den Strahl parallel zu
richten. Da eine LED-Diode
einen diffuseren lichtemittierenden Bereich aufweist als andere
Laser, fällt
das parallele Richten schwieriger und bedarf einer komplexen optischen
Vorrichtung. Die Sammellinse und die Anordnung des Strahlenunterbrechers
ermöglichen den
Einsatz einer kostengünstigen
LED-Diode als Lichtquelle, ohne dass eine aufwendige Kollimatorvorrichtung
erforderlich ist. Der Durchmesser der Strahlenbrecherscheibe ist
ausreichend, um das gesamte ungestreute Licht der LED-Diode zu unterbrechen.
Mit anderen Worten, sein Durchmesser ist geringfügig größer als der Durchmesser der
fokussierten Stelle der Sammellinse. Sind keine Partikel der Größe von Allergenen
vorhanden, wird das gesamte Licht durch den Strahlenunterbrecher
unterbrochen.
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Das vorliegende System und Verfahren
unterscheidet schnell zwischen Partikeln der Größe von Allergenen von 5 bis
50 Mikrometern und größeren, nichtallergenen
Partikeln, um so eine genaue Angabe über die Niveaus an Allergenpartikeln
in einen Raum oder einem geschlossenen Bereich zu erzeugen. Vorzugsweise
ist das Niveau, ab dem das Alarmsignal ausgelöst wird, einstellbar. Das Gerät kann problemlos
so angeschlossen werden, dass zusätzliche Luftreinigungsgeräte oder
Filter, wie z. B. HEPA- (RTM) Filter, eingeschaltet werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für
ein umfassendes Verständnis
der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung einiger bevorzugter
Ausführungen
der Erfindung Bezug genommen, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen
erstellt wurde, wobei sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Bauteile
beziehen und:
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1 ein
Blockdiagramm eines Allergenpartikeldetektorgerätes nach der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 ein
Blockdiagramm ist, das einen abgeänderten Ausgangssteuerkreis
darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm eines Allergenpartikeldetektors nach einer zweiten
Ausführung
der Erfindung ist; und
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4 dem
Blockdiagramm aus 3 ähnelt und
eine Abänderung
darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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1 der
Zeichnungen zeigt ein Allergenpartikeldetektorgerät nach einer
ersten Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Das Gerät
wird von einem passenden äußeren Gehäuse umgeben,
das so geformt ist, dass es einen Durchlass oder einen Luftzwischenraum 10 ausbildet,
der der freien Luft ausgesetzt ist, um eine Luftprobe auf Partikel
der Größe von Allergenen
untersuchen zu können,
wie in unserer US-Anmeldung 6.087.947. Ein Laserstrahl aus einer
Laserdiode oder LED-Diode 12 wird über die Luftprobe 10 in
Richtung einer strahlenunterbrechenden Einrichtung 14 auf
der gegenüberliegenden
Seite des Luftzwischenraums geleitet. Die strahlenunterbrechende
Einrichtung 14 weist eine durchsichtige, kreisförmige, flache
Glasscheibe 15 mit einem lichtundurchlässigen Bereich oder einer lichtundurchlässigen Scheibe 16 in
der Mitte der Glasscheibe auf. Bereich 16 darf aus schwarzer
Farbe oder einem schwarzen Kunststoff- oder Metalleinsatz in der
Mitte der Glasscheibe bestehen. Eine Sammellinse 18 vor der
LED-Diode 12 ist so angeordnet, dass sie den Laserausgangsstrahl
auf die strahlenunterbrechende Scheibe 16 fokussiert. Die
tatsächlichen
Abmessungen des lichtundurchlässigen
strahlenunterbrechenden Bereichs hängen von der Querschnittsform
und den Querschnittsabmessungen des tokussierten Ausgangsstrahls
der Laserdiode 12 und dem Partikelgrößenbereich ab, der vom Gerät erkannt
werden muss. Die LED-Diode darf Infrarotlicht (0,8–1,0 μm (Mikrometer))
oder sichtbares Licht emittieren. In einer Ausführung der Erfindung wurde eine
LED-Diode verwendet, die Licht bei einer Wellenlänge von 670 nm emittiert.
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Der Großteil der Allergenpartikel,
auf die Einzelpersonen empfindlich reagieren, liegt im Bereich von
5 bis 50 μm
(Mikrometer), obwohl in den Größenbereichen
von 0,5 bis 5 μm
(Mikrometer) und 50 bis 500 μm
(Mikrometer) eine geringe Menge an Allergenpartikeln zu finden ist.
Folglich befinden sich die Allergenpartikel im Wesentlichen im Größenbereich von
0,5 bis 500 μm
(Mikrometer), wobei die maximale Anzahl im Bereich von 5 bis 50 μm (Mikrometer)
auftritt. Deshalb ist das Gerät
so gestaltet, dass es Partikel im Bereich von 5 bis 50 μm (Mikrometer)
erkennt, da sich der Großteil
der Allergene in diesem Größenbereich
befindet.
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Der Winkel, mit dem Licht durch einen
Partikel gestreut wird, hängt
von der Wellenlänge
des Lichtes und der Größe des Partikels
ab. Partikel unterschiedlicher Größen in der Umgebungsluft verfügen über ziemlich
unterschiedliche Lichtstreuungseigenschaften. Größere Partikel streuen Licht
bei kleineren Winkeln. Für
eine rote bis infrarote Lichtquelle im Wellenlängenbereich von 0,6 bis 1,0 μm (Mikrometer)
beträgt
der kleinste Streuungswinkel für
einen Partikelgrößenbereich
von 0,5 bis 50 μm
(Mikrometer) ungefähr
4° bis 5° (siehe Electromagnetic
Scattering, R. L. Rowell and R. S. Stein, ed., p. 140, Gordon and
Breach 1965). Befindet sich die strahlenunterbrechende Einrichtung
in einer Entfernung L von der Luftprobe, sollte der Radius des zentralen
strahlenunterbrechenden Bereichs L * tan(5°) betragen, um Licht zu unterbrechen,
das bei Winkeln von weniger als 5° gestreut
wird, das heißt
Licht, das durch Partikel gestreut wird, die größer als 50 μm (Mikrometer) sind. Die strahlenunterbrechende
Einrichtung kann deshalb so angeordnet werden, dass alles Licht
unterbrochen wird, das von Partikeln mit einer Größe von mehr
als 50 μm
(Mikrometer) gestreut wird.
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Linse 20 ist hinter der
strahlenunterbrechenden Einrichtung 14 positioniert, um
das von der Einrichtung 14 auf den Detektor 22 durchgelassene
Licht zu fokussieren. Der Ausgang des Detektors 22 ist über einen
Verstärker 24 an
eine Schwellen- und Zeitgeberschaltung 26 angeschlossen.
Liegt die Ausgangsleistung des Detektors 22 über einer
vorgegebenen Schwelle, wird Relaisschalter 28 geschlossen, um
den Stromkreis zwischen Netzteil 30 und dem Luftfilter 32,
bei dem es sich um jeden angemessenen HEPA- (RTM) Filter handeln darf, zu schalten. Das
Netzteil ist ferner über
Adapter 34 mit der Laserdiode verbunden.
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Die strahlenunterbrechende Einrichtung 14 weist
ferner einen ringförmigen
Ring 42 aus lichtunterbrechendem Material auf, der vor
der Scheibe 15 positioniert ist. Alternativ kann die Scheibe
selbst um einen entsprechenden ringförmigen Bereich herum schwarz
gestrichen werden. Ein ringförmiger
Ring, durch den Licht gelassen wird, ist zwischen der strahlenunterbrechenden
Scheibe 16 und dem ringförmigen Ring 42 definiert.
Der lichtdurchlässige
ringförmige
Ring weist einen vorgegebenen Innendurchmesser d1 auf, der dem Durchmesser
der zentralen Scheibe 16 entspricht, und einen vorgegebenen
Außendurchmesser
d2, der dem Innendurchmesser von Ring 42 entspricht. Die
Abmessungen von d1 und d2 werden auf Grundlage des zu erkennenden
Partikelgrößenbereichs
festgelegt, der gemäß der vorliegenden
Erfindung 5 bis 50 μm
beträgt.
Der Großteil
der Allergenpartikel befindet sich im Größenbereich von 5 bis 50 μm (Mikrometer).
Diese Partikel streuen Licht im Bereich von ungefähr 5° bis 8°, wie bereits oben
in Verbindung mit der ersten Ausführung beschrieben wurde. Der
Durchmesser d1 wird deshalb anhand des Verhältnisses L * tan(5°) bestimmt.
Der Durchmesser d2 wird anhand von L * tan(8°) bestimmt, wobei L die Entfernung
des Modulationswandlers 118 zum sensiblen Bereich oder
zur Luftprobe ist. Bei diesen Abmessungen wird das Gerät 118 nur
Licht durchlassen, das von Partikeln im Größenbereich von 5 bis 50 μm (Mikrometer)
innerhalb eines Bereich von 5° bis
8° gestreut
wird.
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Der Einsatz der Sammellinse 18 in
Verbindung mit der strahlenunterbrechenden Scheibe 16 ermöglicht die
Verwendung einer einfachen und kostengünstigen Laserlicht emittierenden
Diode oder LED-Diode 12 als Lichtquelle anstelle anderer
teurerer Laseremitterarten. Die Sammellinse macht die Verwendung
einer komplexen Kollimierungsvorrichtung zum Kollimieren des diffusen
Ausgangsstrahls der LED-Diode 12 überflüssig.
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2 zeigt
eine abgeänderte
Ausgangsschaltung für
das Allergendetektorsystem, das in Situationen, in denen die tatsächliche
Anzahl an Allergenen in der Luft gering ist, eine höhere Empfindlichkeit
aufweist. Abgesehen von der abgeänderten
Ausgangsschaltung gleicht die Detektorvorrichtung ansonsten der
Vorrichtung aus 1, und
es wird für die
sich gleichenden Bauteile dieselbe Numerierung verwendet.
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Der Probenbereich oder Luftzwischenraum 10 verfügt über ein
relativ kleines Volumen von der Größe wenige Kubikzentimeter.
Wenn die Allergendichte in der Luft gering ist, passieren die Allergenpartikel
den sensitiven Bereich des Allergendetektorgerätes nur intermittierend. Der
Detektor registriert die Zählimpulse
folglich nur einzeln. Bei der in 2 abgebildeten
Schaltung werden Signalimpulse vom Detektor 22 an den Verstärker 24 geleitet.
Der verstärkte
Impulsausgang wird an den Vergleicher 50 geleitet, um einen
geregelten Impuls zu erzeugen. Der Impulsausgang des Vergleichers 50 wird
von einem Impulszähler 52 gezählt. Der
Impulszähler
wird durch eine Zeitschaltung 54 auf vorgegebene Intervalle
eingestellt, z. B. alle 30 Sekunden. Immer wenn sich ein Allergenpartikel
im Luftzwischenraum 10 befindet, löst das gestreute Licht den
Fotodetektor aus, und Verstärker
und Vergleicher generieren danach einen Ausgangsimpuls. Dieser Impuls
stellt die Erkennung eines einzelnen Allergenpartikels dar.
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Der Impulszähler 52 registriert
alle Impulse während
eines gewissen Zeitraums, der von der Zeitschaltung 54 vorgegeben
wird. Die Gesamtzahl der registrierten Impulse wird auf einer LED-Anzeige 56 angezeigt.
Nach jedem Meßzeitraum,
sprich 30 Sekunden, wird der Zähler
auf Null gesetzt und beginnt erneut, die Zählimpulse zu summieren. Das
Steuerimpulsniveau des Zählers
ist vorzugsweise durch die Bedienperson verstellbar, damit je nach
Wunsch der Bedienperson unterschiedliche Sensitivitätsniveaus erkannt
werden können.
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Diese Anordnung erlaubt die Messung
der Allergendichte in einem niedrigen Bereich und ist insbesondere
für eine
einzelne Allergendetektoreinheit nützlich, die mit keinem zusätzlichen
Luftbewegungsgerät
ausgestattet ist. Bei einer derartigen Vorrichtung treiben die Allergenpartikel
zufällig
in den Luftzwischenraum, und es kann Zeiträume geben, während derer
keine Allergenpartikel erkannt werden, wenn die Allergendichte in
der Luft gering ist. Durch Summieren der Allergenzählimpulse über einen
längeren
Zeitraum können
auch niedrige Allergenpartikel-Dichteniveaus erkannt werden. Dazu
kann jeder standardmäßige und
herkömmliche
Impulszähler verwendet
werden, wie z. B. ein 7492 Zähler.
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3 der
Zeichnungen stellt eine abgeänderte
Allergendetektorvorrichtung nach einer zweiten Ausführung der
Erfindung dar. Wie bereits zuvor ist die Vorrichtung von einem passenden
Gehäuse (nicht
dargestellt) umgeben, das so geformt ist, dass es einen Durchlass
oder einen Luftzwischenraum 60 ausbildet, der der freien
Luft ausgesetzt ist, um eine Luftprobe innerhalb des Luftzwischenraums 60 zum Erkennen
des Vorhandenseins von Partikeln der Größe von Allergenen 62 untersuchen
zu können, wie
in US-Anmeldung 6.087.947 beschrieben, auf die oben Bezug genommen
wurde.
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Ein Laserstrahl 64 wird
von Laserdiode 66 durch die Luftprobe im Zwischenraum 60 geleitet.
Ein reflektierender Konkavspiegel 68 mit einer zentralen Öffnung 70 vorgegebener Abmessungen
ist auf der gegenüberliegenden
Seite des Luftzwischenraums 60 positioniert. Ein Linse 18 (nicht
dargestellt) darf zwischen Diode 66 und Luftzwischenraum 60 wie
in der vorherigen Ausführung
positioniert werden, um den Laserausgangsstrahl auf die zentrale Öffnung 70 im
Konkavspiegel zu fokussieren, dem dieselbe Funktion wie der strahlenunterbrechenden
Scheibe in der vorherigen Ausführung
zukommt. Die tatsächlichen
Abmessungen der zentralen Öffnung 70 hängen von
der Querschnittsform und den Querschnittsabmessungen des fokussierten
Laserstrahls und dem Partikelgrößenbereich
ab, der vom Gerät
wie in der vorherigen Ausführung
erkannt werden muss.
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4 zeigt
eine Abänderung,
die der Ausführung
aus 3 ähnelt, mit
der Ausnahme, dass die zentrale Öffnung 70 im
Konkavspiegel 68 durch einen schwarzen Strahlenunterbrecher 72 ersetzt wurde,
der durch schwarze Farbe oder eine schwarze Scheibe, die auf den
Spiegel angebracht werden, bereitgestellt werden kann. Alle sonstigen
Bauteile der Ausführung
aus 4 sind identisch
mit denen aus 3 und
für die
sich gleichenden Bauteile wurde entsprechend dieselbe Numerierung
gewählt.
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Sowohl in 3 als auch in 4 wird der ungestreute Lichtstrahl 74 entweder
durch das Passieren der zentralen Öffnung 70 im Spiegel
in 3 zu einem Strahlenfänger 71 oder
durch seine Blockierung mittels eines Strahlenunterbrechers 72 in der
Mitte des Spiegels wie in 4 beseitigt.
In beiden Fällen
streuen die Allergenpartikel im Luftzwischenraum 60 den
Lichtstrahl und wird der gestreute Lichtstrahl 75 vom Spiegel 68 auf
einen Fotodetektor 76 reflektiert, der entlang der Laserdiode
platziert ist. Die Größe der zentralen Öffnung oder
des Strahlenunterbrechers ist vorzugsweise ausreichend, um die ungestreuten
Bereiche des Lichtstrahls und Bereiche, die bei Winkeln unterhalb
eines vorgegebenen Mindestwinkels gestreut werden, wie bereits in
Verbindung mit den vorhergehenden Ausführungen beschrieben, zu unterbrechen
oder aufzunehmen, während
der Außendurchmesser
des Spiegels so gewählt
wurde, dass Licht, das oberhalb eines vorgegebenen Maximalwinkels
gestreut wird, den Spiegel ohne Reflexion passiert. Folglich wird
nur Licht, das in den gewünschten
ringförmigen
Bereich gestreut wird, der den Partikeln der Größe von Allergenen (5 bis 50 μm) entspricht,
entlang des Lichtweges zum Detektor 76 weitergeleitet.
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Die Funktion der Vorrichtung aus 3 und 4 gleicht ansonsten der Funktion der
Vorrichtungen der ersten Ausführung,
wie bereits oben in Verbindung mit 1 und 2 beschrieben, und es wird
zur Messung der Ausgangsgröße des Detektors 76 eine ähnliche
Ausgangsschaltung bereitgestellt. Dennoch verfügt diese Ausführung über den
Vorteil, dass die Vorrichtung kompakter ist, da der Lichtweg völlig umgebogen
wird, wodurch sich die Gesamtlänge
der Vorrichtung verkürzt.
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Der Allergenpartikeldetektor der
vorliegenden Erfindung erkennt nur Partikel der Größe von Allergenen
und beseitigt Licht, das von Partikeln gestreut wird, deren Größe außerhalb
des Allergengrößenbereichs
von 5 bis 50 Mikrometer (5 × 10–6 bis
50 × 10–6)
liegt. Die Lichtquelle ist eine einfache und kostengünstige LED-Diode,
die mit einer Sammellinse zum Fokussieren des ungestreuten Lichtstrahls
auf eine strahlenunterbrechende Scheibe verwendet wird. Das Allergenerkennungsniveau
kann durch die Bedienperson schnell eingestellt werden. Die Vorrichtung
lässt sich
einfach und kostengünstig
herstellen und ist leicht zu bedienen. Sie bietet eine genaue Echtzeiterkennung übermäßiger Niveaus
an Allergenpartikeln in der Luft, alarmiert empfindliche Personen,
die möglicherweise
Medikamente einnehmen müssen,
und ermöglicht
unter diesen Verhältnissen zur
Reinigung der Luft außerdem
die Aktivierung von Allergenfiltergeräten.
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Obwohl bevorzugte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung oben nur anhand von Beispielen beschrieben
wurden, erkennt der Fachmann auf diesem Gebiet, dass Abänderungen
der offenbarten Ausführungen
ohne Abweichungen vom Anwendungsbereich der Erfindung durchgeführt werden können, der
durch die zugehörigen
Ansprüche
definiert wird.