DE850245C - Verfahren zur Staubmessung, insbesondere Mikrostaubmessung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 22. SEPTEMBER 1952

St84 IXbj 42 I

Salzburg (Österreich)

Die Bestimmung des Staubzustands in der Luft macht beträchtliche Schwierigkeiten, falls es sich um die Messung nicht bloß der gröberen Staubanteile, sondern um diejenige polydisperser Mischstaul >e handelt, deren insljesondere submikroskopischer Anteil für Gesundheitsschädigungen (Gewerbestaube!) besondere Bedeutung hat.

Zu diesem Zweck hat sich vor allem die Bestimmung nach der Streulichtmethode bewährt. Diese Methode gestattet unter anderem auch durch Messung unter verschiedenen Streuwinkeln sowie Anwendung verschiedenfarbigen sowie polarisierten Lichts eindeutige Rückschlüsse auf die Korngröße der Einzelteilchen und deren mengenmäßige Verteilung sowie unter Umständen auch noch auf Form und Zusammensetzung submikroskopischer Teilchen.

Bisher wurde das Streulicht mittels photometrischer Vergleichsmethoden gemessen. Abgesehen davon, daß gerade die interessierenden feinsten Staube naturgemäß wegen ihrer geringen Streuintensität im Photometer nur sehr schwer zu vergleichen sind, mußten die staubhaltigen Luftproben dabei immer in abgeschlossenen Kammern oder wenigstens im Dunkeln photometriert werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung bedient sich

dagegen einer Photozelle und eines Verstärkers und erreicht durch Verwendung intermittierenden Lichts neben einer bedeutenden Erhöhung der Empfindlichkeit und demgemäß der Meßgenauigkeit noch weitere Vorteile, von denen insbesondere die Möglichkeit, die Messung im freien Raum und bei normalen Lichtverhältnissen durchzuführen, wichtig ist.

Zur Ausübung des Verfahrens läßt man ein mittels geeigneter Optik gebündeltes, ungefähr parallel gerichtetes Lichtbündel durch die zu untersuchende Luft (Aerosol, staubhaltiges Gas) fallen, wobei seitliches Streulicht auftritt. Dieses Streulicht wird von einer seitlich angeordneten Photozelle, die mit den Streuwinkel begrenzenden Blenden, gegebenenfalls auch einer Optik, zusammengebaut ist, unter bestimmten bzw. verschiedenen Winkeln aufgenommen und die entstehenden, der Lichtstärke proportionalen Ströme bzw. Stromstöße einem Verstärker zugeleitet und in einem geeigneten Meßinstrument gemessen. Vorteilhaft wird das Licht nicht als zeitlich konstanter Lichtstrom, sondern intermittierend oder pulsierend (zerhackt) zur Anwendung gebracht. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile. Erstens können die entsprechenden intermittierenden Ströme leichter verstärkt werden als ein etwa resultierender Gleichstrom, zweitens wird ein nur auf die Verstärkung von Wechselströmen eingerichteter Verstärker auf normale Beleuchtung nicht reagieren, ' so daß die Messungen unbeschadet auch bei diffusem Tageslicht ausgeführt werden können, endlich kann bei dieser Arbeitsweise ein auf die Frequenz der Lichtimpulse abgestimmter Resonanzverstärker zur Anwendung gebracht werden, der auf einfache Weise eine starke Erhöhung der Verstärkung ohne gleichzeitige Erhöhung des Störpegels ermöglicht. Der Lichtstrom kann beispielsweise durch eine rotierende Lochscheibe zerhackt werden, oder es kann eine von Haus aus intermittierende Lichtquelle, etwa eine mit Wechselstrom gespeiste Hochdruckquecksilberdampflampe, benutzt werden.

Eine Modifikation des Verfahrens besteht darin, daß man das durch eine Optik scharf begrenzte Lichtbündel nach dem Durchlaufen des zu prüfenden Luftraums durch eine undurchsichtige Scheibe abschirmt bzw. darauf abbildet, so daß nur die abgebeugten Lichtstrahlen in die in diesem Fall in der Verlängerung des Lichtbündels stehende Photozelle gelangen können, wie dies von der sogenannten Schlieren-Methode her bekannt ist.

Eine weitere Abänderung des Verfahrens besteht darin, daß man außer dem zerhackten Streulicht weiteres aus dem direkten Lichtstrahl abgezweigtes Licht, das geeicht regelbar geschwächt ist, in die Photozelle gelangen läßt, und zwar so, daß dies jeweils die Pausen des intermittierenden Lichts ausfüllt. Dadurch wird die Lichtintensitätsschwankung in der Photozelle zu einem nicht schwankenden Gleichlicht ergänzt, der Verstärker erhält keinen Wechselstromanteil mehr zugeführt, und die Gleichheit der beiden Lichtströme kann mittels des Meßinstnuments oder mittels eines Telephons (Nullmethode) festgestellt und der Meßwert an der Stellung des geeichten Lichtreglers abgelesen werden.

In den Figuren bedeuten 1 die Lichtquelle (Glühlicht oder Gasentladungsröhre), 2 einen Reflektor, 3 eine zur scharfen Bündelung des Lichts geeignete Optik, 4 Blenden zur seitlichen Begrenzung des Lichtbündels, 5 das Lichtbündel selbst, 6 eine Photozelle, gegebenenfalls Sekundärelektronenzelle, 7 den Verstärker, 8 ein Wechselstrommeßgerät, 9 eine rotierende Lochscheibe, die zur periodischen Unterbrechung des Lidhtbündels dient. Mit 10 ist der Winkelbereich angedeutet, um den die Photozelle 6 geschwenkt werden kann, damit sie verschiedene engbegreruzte Streustrahlenbündel aus der Gesamtseitenstreuung auslesen kann, 11 ist die Lochblende, die das Lichtbündel in Zusammenarbeit mit der undurchsichtigen Scheibe 12 (Fig. 2) begrenzt, 12' (in Fig. 3) ist ein Gitter, das die Stelle des Scheibchens 12 der Fig. 2 vertreten kann, wenn an Stelle der Blende 11 ein zu 12' passendes ähnliches Gitter tritt, 13' sind Spiegel (innerhalb eines Kanals 13), die zur Umleitung eines Teils des Hauptlichts dienen, 14 ist ein Telephon als Nullindikator, 15 ist ein geeichter Lichtregler, beispielsweise gekreuzte Polarisatoren, Graukeil od. dgl. mit Ableseskala, 16 ist eine gegebenenfalls vor der Fhotozelle angeordnete und mit dieser bewegliche Optik, 17 ist ein Spiegel, der gegebenenfalls das Lichtbündel in sich selbst zurückwirft und so seine Wirkung auf die Photozelle erhöht, 18 zeigt in Fig. 4 die Stellung eines Objektträgers, falls es sich um die Untersuchung von darauf niedergeschlagenen Stauben handelt, 19 zeigt rein schematisch eine Optik, durch die neben der Messung durch die Photozelle eine gleichzeitige subjektive Beobachtung von beispielsweise sehr groben Teilchen geschehen kann, 20 ist eine zur Optik 16 gehörende Blende.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsart des Verfahrens. Das vom Kugelspiegel 2 verstärkte Licht der Glühlampe 1 wird durch eine entsprechende i°5 Optik 3 ungefähr parallel gerichtet und, durch die Blenden 4 seitlich begrenzt, in den zu untersuchenden Luftraum (bei 5) geworfen, wobei an den Staubteilchen Licht seitlich ausgestreut wird, und zwar wird, je kleiner die Staubteilchen, desto kurz- "» welligeres Licht bevorzugt, das um so weiter von der ursprünglichen Richtung abweichend ausgestreut wird. Eine rotierende Lochscheibe 9 zerhackt das Licht periodisch. Das ausgestreute Licht fällt, gegebenenfalls durch eine Optik 16, auf eine Photozelle 6, die im Verlauf der Messung in verschiedenen Winkeln 10 zum Lichtbündel eingestellt wird. Das intermittierende Licht verursacht intermittierende Ströme aus der Photozelle 6, die nach Verstärkung im Resonanzverstärker 7 von einem Wechselstrominstrument 8 angezeigt und dort abgelesen wenden können. Aus den bei verschiedenen Winkeln 10, gegebenenfalls nach Einschaltung verschiedener Lichtfilter (Farbfilter, Polarisationsfolien) wiederholten Meßreihen, kann eindeutig auf Größenverteilung, unter Umständen sogar auf

Art und Form der Staubteilchen geschlossen werden.

Insbesondere bei der Einstellung der Photozelle

in einem Winkel von 90° zur Lichtbündelrichtung kann das Lichtbündel mittels des Spiegels 17 in sich selbst zurückgeworfen und der Wirkungsgrad dadurch nahezu verdoppelt werden.

Da es möglich ist, daß verhältnismäßig sehr wenige grobe Teilchen die Beobachtung der feinsten stören könne, ist es vorteilhaft, dies fallweise kontrollieren zu können. Diesem Zweck dient eine zusätzlich angebrachte Optik 19, die simultan eine subjektive Beobachtung gestattet.

Die Fig. 2 bezieht sich auf eine Modifikation des Verfahrens, und zwar im Sinn der Schlieren-Methode. Das Licht, das von einer Blende 11 begrenzt ist, fällt auf ein undurchsichtiges Scheibchen 12, so daß im staubfreien Zustand der Luft zwischen 11 und 12 auf die hinter dem Scheibchen 12 angeordnete Photozelle 6 kein Licht fällt. Sobald aber an irgendwelchen Staubteilchen Streuung auftritt, trifft dieses Streulicht an dem Scheibchen 12 vorbei irgendwie auf die Photozelle 6, deren Ströme nun, wie vorher beschriel>en, nach Verstärkung einem Meßgerät zugeleitet werden. Natürlich kann diese vereinfachte Darstellung noch durch Anwendung einer Linse verbessert werden, die in bei Schlieren-Methoden üblicher Weise die Lochblende auf das Scheibchen abbildet.

An Stelle des Scheibchens 12 kann ein Gitter 12' (Fig. 3) verwendet werden, falls an Stelle der Blende 11 (Fig. 2) ein ähnliches Gitter angeordnet ist. Die Herstellung des Scheibchens 12 bzw. des Gitters 12' geschieht am einfachsten auf photographischem Wege durch einfache Belichtung einer photographischen Platte an der Stelle 12 bzw. 12', wodurch ein genau entsprechendes photogra-I)InScIu¹S Xegativ zustande kommt.

In Fig. 2 ist eine rotierende Lochscheibe dargestellt. Man kann gegebenenfalls anstatt des Glühlichts ι eine Gasentladungsröhre verwenden, beispielsweise Hochdruckquecksilberdampflampe, Natrium-, Kaliumdampflampe, Neonröhre usw., die mit Wechselstrom l>etriel>en wird. Bei 5operiodischem Wechselstrom ergibt das eine Lichtwechselfrequenz von 2 χ 50 = ioo/sec. Auf diese Frequenz muß dann auch ein eventueller Resonanzkreis im Verstärker abgestimmt sein.

Die Verwendung von Gasentladungsröhren hat gegenüber Glühlicht für die Messungen den weiteren Vorteil, daß man mit ganz bestimmten Spektrallinien, also mit praktisch monochromatischem, genau definiertem Licht messen kann und außerdem nach Wunsch mit sehr kurzwelligem, ultraviolettem.

Eine weitere, durch die Fig. 4 illustrierte Variante des Verfahrens, benutzt wieder die rotierende Lochscheibe, die übrigens auch durch irgendeine andere mechanische Einrichtung, beispielsweise durch rotierende oder oszillierende Spiegel, ersetzt sein könnte, mißt al>er nicht die seitwärts gestreute Lichtmenge direkt, sondern gleicht deren Schwankungen durch einen in gleichem Rhythmus (gegenphasig) schwankenden Lichtstrahl aus, der am einfachsten von dem an der Rückseite der Lochscheibe 9 (diffus) reflektiertem Licht hergenommen wird. Die Summe des jeweils durch ein Loch der Scheibe 9 hindurchtretenden und des an ihrer Rückseite reflektierten Lichts bleibt dabei, abgesehen von einem konstanten Faktor, naturgemäß zeitlich unverändert konstant. Dieses reflektierte Licht wird durch einen Kanal 13 mittels der Spiegel 13' der Photozelle zugeführt. Eine mit einer geeichten Ableseskala versehene Lichtregeleinrichtung, beispielsweise aus zwei gekreuzten Polarisatoren bestehend, gestattet es, das Licht jeweils so weit abzuschwächen, daß in der Photozelle die Summe der beiden Lichtmengen eben zeitlich konstant bleibt, somit im Verstärker kein Wechselstrom mehr zur Verstärkung kommt. Ein Telephon 17, gegebenenfalls Resonanztelephon, dient zur Anzeige der Nullage bzw. eines Minimums. Der Meßwert selbst kann dann an der geeichten Skala (bei 15) abgelesen werden.

Die Fig. 5 endlich bezieht sich auf die Anwendung des Streulichtverfahrens zur Messung von auf einem Objektträger 18 niedergeschlagenen Staub. Sie zeigt die Winkelstellung, unter welcher der durchsichtige Objektträger mit dem darauf niedergeschlagenen Staub angebracht sein muß, damit ein Minimum an Fremdlicht in die Zelle kommt.

Der Staubniederschlag auf dem Objektträger kann durch Thermodiffusion außerordentlich beschleunigt werden, wenn die Unterseite des an der Oberseite vorzugsweise mit einer klebrigen aber nicht hygroskopischen Schicht überzogenen Objektträgers stark gekühlt w^rird, beispielsweise mit fester Kohlensäure oder mit flüssiger Luft.

Zwecks Kontrolle der Eichung des Apparats, Vergleichung der Ausschläge, kann ein dünner Draht, beispielsweise ein Wolframdraht, wie er in den Glühlampen Verwendung findet, fallweise in das Lichtbündel gebracht und dessen genau definierte Streuung gemessen werden. i°5

Die Messungen werden am vorteilhaftesten so durchgeführt, daß ein ganzes Polardiagramm über einen möglichst großen Winkelbereich aufgenommen wird. Die Theorie, durch praktische Messungen vollauf bestätigt, besagt, daß gröbere Staube mehr in der Strahlrichtung, feinste dagegen nach rückwärts beugen bzw. strahlen, während unter etwa 90° jeweils ein Minimum der Strahlung zu finden ist.

Außerdem ist der Verlauf dieser Diagramme, wie allgemein bekannt, stark von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängig, und zwar in dem Sinn, daß, je kurzwelligeres Licht verwendet wird, um so auffälliger die kleinen Staubdimensionen bevorzugt in Erscheinung treten. Es lassen sichalso durch Aufnahme mehrerer Diagramme mit verschiedenwelligem Licht sehr weitgehende Schlüsse auf die Größendispersion des Staubs, seine relativen und absoluten Mengen ziehen. Diese Messungen können durch Anwendung polari- 1*5 sierten Lichts, insbesondere mit verschiedenen

Polarisationsebeneti, noch ergänzt werden und lassen dann sogar noch weitere Schlüsse auf die Natur und qualitative Beschaffenheit der Staubelemente zu.

Die mit dem Apparat auszuführenden Messungen ergeben erst in ihrer Gesamtheit eine vollständige Charakterisierung der untersuchten Staubluft. Dies wurde bisher nicht unternommen und stellt den wesentlichen Fortschritt der Erfinto dung dar.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ι. Verfahren zur Staubmessung, insbesondere Mikrostaubmessung, nach dem Streulichtprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß das von im Strahlengang eines Lichtbündels befindlichen Staubteilchen hervorgerufene Streulicht unter verschiedenen Winkeln mittels Photozelle und Verstärker mittelbar objektiv gemessen wird.

   2. Verfahren zur Staubmessung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze erreichbare Winkelbereich durch Drehung bzw. Schwenkung der Photozelle bzw. einer Optik bestrichen und dessen Meßwerte beispielsweise als Polardiagcamm aufgenommen werden.

   3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anwendung von Licht, dessen Lichtstärke wechselt (intermittierendes Licht) zum Zweck der Unabhängigkeit von konstanten äußeren Lichtquellen, Erleichterung der Verstärkung und zum Zweck der Anwendbarkeit eines auf die Frequenz des Lichtwechsels abgestimmten Resonanzverstärkers, so daß auch in offener Atmosphäre bei diffusem Tageslicht sowie bei künstlicher Beleuchtung anderer Frequenz, beispielsweise 50 oder 60 Perioden, störungsfrei gearbeitet werden kann.

   4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch die Erzeugung des Wechsellichts mittels einer rotierenden Lochscheibe.

   5. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch die Erzeugung des Wechsellichts mittels rotierender Spiegel oder eines oszillierenden Spiegels.

   6. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer wechselstromgespeisten Gasentladungslampe (Quecksilberhochdrucklampe, Natriumlampe, Kaliumlampe usw.).

   7. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer ultraviolettes Licht bevorzugt ausstrahlenden Lichtquelle.

   8. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von infrarotem Licht zum Zweck der Bevorzugung verhältnismäßig gröberer Teilchen.

   9. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch mit verschiedenen Färbfiltern wiederholte Meß reihen.

   10. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Einschaltung von Polarisationsfiltern in den Lichtweg und gegebenenfalls in den Streulichtweg, um Schlüsse auf die Teilchengröße und die stoffliche Beschaffenheit des Staubs zu ermöglichen.

   11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung von Streulicht im Sinn einer Schlieren-Methode, wobei der zu untersuchende Staub sich zwischen einer Blende (Lochblende bzw. Spaltgitter) und einem entsprechenden Kreisscheibchen bzw. Negativgitter befindet (Fig. 2).

   12. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 11, gekennzeichnet durch die Herstellung des zur Blende passenden Scheibchens bzw. Negativgitters auf photographischem Wege.

   13. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 bzw. 3 bis 5 bzw. 7 bis 12, gekennzeichnet durch die Kompensation der Streulichtschwankungen, die auf die Photozelle einwirken, vermittels eines die Lichtmenge in jedem Augenblick ergänzenden Lichtbündels, das von der vorzugsweise diffus reflektierenden Lochscheibe abgeleitet ist, zu dem Zweck, in einem am Verstärker angeschlossenen Telephon die Nullstellung wahrnehmen zu können (Fig. 3).

   14. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 13, gekennzeichnet durch die Verwendung eines auf die Frequenz der Lichtschwankungen abgestimmten Resonanztelephons.

   15. Verfahren nach Ansprüchen 1, 5 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationslicht von der vorzugsweise diffus reflektierenden, von gespiegeltem Lichtstrahl überstrichenen Blendenumrahmung abgeleitet ist.

   16. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 13

   bis 15, gekennzeichnet durch eine geeichte Regelvorrichtung, die das Kompensationslicht entsprechend schwächt und den jeweiligen Grad der Schwächung abzulesen gestattet.

   17. Verfahren nach Ansprüchen 1, 2 bis 10 bzw. 13 bis 16, gekennzeichnet durch die An-Ordnung eines Spiegels, der den Lichtstrahl in sich selbst zurückspiegelt zum Zweck einer annähernden Verdoppelung der Streulichtintensität.

   18. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Niederschlagung der schwebenden Staubteilchen auf einem Objektträger aus lichtdurchlässigem Material, der in den Strahlengang eingeschaltet wird.

   19. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederschlagung der Teilchen durch Thermodiffusion an einem gekühlten Objektträger erfolgt.

   20. Verfahren nach Ansprüchen 1, 18 und 19, gekennzeichnet durch eine nicht hygroskopische,

   die Staubteilchen festhaltende Schicht auf dem ! Objektträger. ',

   2i. Apparat zur Durchführung des Verfah- j rcns nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die l'hotozelle mit Optik mittels einer Einrichtung, die den jeweiligen Streuwinkel zu be- j stimmen gestattet, in einer durch den Lichtstrahl gehenden Kbi'iie schwenkbar gelagert ist.

   22. Apparat nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg Farbfilter bzw. Polarisationsfilter zwecks Wiederholung der Meßreihen mit verschieden geartetem Licht vorgesehen sind.

   23. Apparat nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch einen synchron mit dem intermittierenden Licht gesteuerten Gleichrichter hinter dem Verstärker.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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