DE4105190C2 - 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 eine geschlossene Meßzelle. Nachteilig bei diesen Geräten des Standes der Technik ist, daß das optische System verschmutzungsanfällig ist. Verschmutzungspartikel 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 Meßkammerinnenwände und der Abbildungslinsen aufgrund der großen Dimensionen der Meßzelle mit sich bringen. Bei den geschlossenen Meßzellen ist weiter nachteilig, daß diese aufgrund ihrer großen Abmessung schlecht handhabbar sind.

Die Funktionsweise des optischen Aerosolsensors beruht auf den Lichtstreueigenschaften 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 derartiges optisches System ist z. B. in der DE 37 37 129 A1 beschrieben. Der Empfänger (Photohalbleiter) 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 Korngrößenverteilung 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.

In DE 21 06 487 B2 und DE 35 24 119 A1 sind Streulichtaerosoldetektoren beschrieben, bei denen zusätzlich Vorrichtungsmerkmale aufgezeigt sind, die dazu führen, daß der Aerosolvolumenstrom von einem Reinluftstrom umhüllt wird. Mit diesen Lösungen werden die bereits genannten Nachteile des Standes der Technik zwar abgeschwächt, aber nicht vollständig beseitigt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Streulichtaerosoldetektor mit einem optischen Detektionssystem anzugeben, der eine Verschmutzung von Meßkammerinnenwänden und Abbildungslinsen vermeidet und der dadurch zu deutlich geringeren Meßfehlern führt. Dieser optische Aerosoldetektor sollte zudem in den 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 Systems für die verschiedensten Anwendungsbereiche gegeben ist.

Die Aufgabe wird durch einen Streulichtaerosoldetektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der Streulichtaerosoldetektor mit dem optischen Sender weist also eine Meßzelle auf, 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 quaderförmig. 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 Volumen 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 besonders 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 gleichzeitig eine kleine Bauform verwirklicht.

Vorteilhafterweise 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 und in der Nähe des zylindrischen Bodens unterhalb des optischen Sensors ein Absaugstück für den gesamten Volumenstrom aufweist sowie unterhalb des zylindrischen Deckels und oberhalb des optischen Sensors einen Umlufteinlaß für den Reinluftstrom. Durch diese 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 weist dabei bevorzugt nur eine Höhe von 30 bis 100 mm und einen Durchmesser von 15 bis 30 mm auf. Zur Bewerkstelligung 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 Detektor zeichnet sich deshalb besonders dadurch aus, daß er eine äußerst kleine Bauform (bis max. 10 Zentimeter Höhe) aufweist und durch die Tatsache, daß ein Reinluftsystem zum Schutz der Meßzelleninnenwände und der Abbildungslinsen eingeführt wurde. Dadurch werden Meßfehler vermieden, die bei vergleichbaren Geräten 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 der Meßzelle entnommen, gefiltert und dann konzentrisch, den Aerosolstrom einhüllend, in den oberen Meßzellenteil wieder eingeführt wird. Die eingebauten Kapillardrosseln garantieren eine exakte Aufteilung der Luftdurchsätze. Die Pumpe entzieht der Meßzelle beispielsweise 1.15 l/min. Davon werden 0.65 l/min wieder zurückgeführt. Die abgeblasenen Mengen entsprechen genau dem angesaugten Aerosolstrom. 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 Aerosolstrahl stabil bleibt und somit keine Partikel 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 Meßzelle zwischen 0.22 bis 2.2 l/min.

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

Typische Anwendungen des Aerosoldetektors 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 Aerosoldetektors

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

Fig. 1 zeigt nun an einem Beispiel die Funktionsweise des Aerosoldetektors 1. Der Aerosolvolumenstrom 11 wird dabei z. B. mit einem Volumenstrom von 0,5 ltr/Min durch den Aerosoleinlaß 6 der Meßzelle 3 gesaugt. Der Aerosoleinlaß 6 für den Aerosolvolumenstrom 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 Aerosoleinlaß 6 ist dabei so ausgeführt, daß er in vertikaler Richtung durch den Umlufteinlaß 9 hindurchgeführt wird. Durch den Umlufteinlaß 9 wird dabei gleichzeitig Reinluft 12 mit der Pumpe 4 zugeführt. Dieser Reinluftstrom 12 umhüllt nun den Aerosolstrom 11 und ein stabiler Aerosolstrahl wird durch das optische Detektionssystem 2 geführt. Durch die Pumpe 4 wird dabei gleichzeitig der gesamte Volumenstrom 13 durch das Absaugstück 8 in der Nähe des zylindrischen Bodens 7 gesaugt, wobei diesem Absaugstück 8 ein Filter 16 nachgeschaltet ist, damit der Gesamtvolumenstrom gereinigt werden kann. Dieser Gesamtvolumenstrom wird dann über Kapillardrosseln 15 zum Umlufteinlaß 9 geführt. Entscheidend dabei ist, daß nach der Pumpe 4 über einen Ablaß 10 die Menge an Abluft abgezweigt wird, die dem Aerosolvolumenstrom entspricht. Im Beispiel der Fig. 1 bedeutet dies, wenn der Aerosolvolumenstrom 11 0,5 ltr/Min beträgt und 0,65 ltr/Min Reinluft 12 zugeführt wird, daß die Abluft 0,5 ltr/Min betragen muß. Das ganze System muß dabei so eingestellt werden, daß das Verhältnis zwischen dem Aerosolvolumenstrom 11 und dem 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 Untersuchungen wurde zudem festgestellt, daß, wenn ein Verhältnis zwischen 0,42 und 0,45 eingehalten wird, ein besonders stabiler Aerosolstrom erreicht wird, der sicherstellt, daß eine Verschmutzung des optischen Detektionssystems 2 vermieden wird. Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist, daß ein geschlossenes System eingesetzt wird und daß mit diesem geschlossenen System durch den erfindungsgemäßen Aufbau (Führung im Kreislauf) eine Bauweise erreicht werden kann, die Abmessungen erlaubt, wobei die Meßzelle 3 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 3 am Beispiel eines Zylinders. Die Meßzelle 3 besteht in diesem Fall aus einem zylindrischen Aerosoleinlaß 6 für den Aerosolvolumenstrom 11, der zentrisch am zylindrischen Deckel 5 angeordnet ist. Nach dem Umlufteinlaß 9, über den wie in Fig. 1 erläutert Reinluft 12 zugeführt wird, ist das optische Detektionssystem 2 angeordnet. Das optische Detektionssystem 2 ist in diesem Fall ein Detektionssystem, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, wie z. B. aus der DE 37 37 129 A1. Es besteht dabei aus einer Lichtfalle 14, einem Empfänger 15, einem Sensor 16 und einer optischen Zelle 17. Diese sind ringförmig um den Zylinder angeordnet. An dieses optische Detektionssystem 2 schließt sich in vertikaler Richtung das Absaugstück 8 an, das einen Ausgang für den gesamten Volumenstrom 13 aufweist. Dieser gesamte Volumenstrom 13 wird dann, wie in Fig. 1 erläutert, über einen Filter und Kapillardrosseln mittels einer Pumpe zum Umlufteinlaß 9 geführt. Von der baulichen Ausformung her ist im Falle der Meßzelle 3 aus Fig. 2 das Absaugstück 8 identisch gestaltet wie der Umlufteinlaß 9, d. h. der Umlufteinlaß 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 anschaulich deutlich, wie es durch die erfindungsgemäße Konstruktion möglich ist, daß der Streulichtaerosoldetektor eine derart kleine Abmessung erhalten kann.

Claims (5)

1. Streulichtaerosoldetektor (1) zur Bestimmung von Aerosolen in einem Aerosolvolumenstrom, mit einem optischen Detektionssystem (2) und einer geschlossenen Meßzelle (3), wobei

• • die Meßzelle (3) eine längliche Bauform aufweist und
• • der Streulichtaerosoldetektor (1) so ausgebildet ist, daß
  • •• der Aerosolvolumenstrom (11) in der Meßzelle (3) von einem Reinluftstrom (12) umhüllbar ist zur Bildung eines Gesamtvolumenstroms (13),
  • •• der Gesamtvolumenstrom (13) mittels einer Pumpe (4) - bei senkrechter Ausrichtung der Meßzelle (3) - in vertikaler Richtung von oben nach unten durch das optische Detektionssystem (2) führbar ist,
  • •• Volumenstromregulierungseinrichtungen (15) zusammen mit der Pumpe (4) das Verhältnis des Aerosolvolumenstromes (11) zum gesamten Volumenstrom (13) im Bereich zwischen 0,40 und 0,50 einstellen,
  • •• die Volumenstromregulierungseinrichtungen (15) hinter dem optischen Detektions­ system (2) aus dem Gesamtvolumenstrom (13) ein Volumen als Abluft abtrennen, das dem Aerosovolumenstrom (11) entspricht und
  • •• der restliche Volumenstrom als Reinluftstrom (12) dem Aerosolvolumenstrom (11) im Kreislauf zugeführt wird.

2. Streulichtaerosoldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (3) zylindrisch ist und an einem Zylinderdeckel (5) einen zylindrischen Aerosoleinlaß (6) für den Aerosolvolumenstrom (11) aufweist, ferner in der Nähe eines zylindrischen Bodens (7) unterhalb des optischen Detektionssystems (2) ein Absaugstück (8) für den Gesamtvolumenstrom (13), sowie unterhalb des Zylinderdeckels (5) und oberhalb des optischen Detektionssystems (2) einen Umlufteinlaß (9) für den Reinluftstrom (12) und daß der Umlufteinlaß (9) mit dem Absaugstück (8) über eine Verbindung verbunden ist, in der die Pumpe (4) und ein Ablaß (10) für die Abluft angeordnet sind.

3. Streulichtaerosoldetektor nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (3) eine Höhe von 30 bis 100 mm und einen Durchmesser von 15 bis 30 mm hat und daß der Aerosoleinlaß (6) 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 als Volumenstrom­ regulierungseinrichtungen in der Verbindung zwischen dem Absaugstück (8) und dem Umlufteinlaß (9) Kapillardrosseln (15) angeordnet sind.

5. Streulichtaerosoldetektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Absaugstück (8) und der Pumpe (4) ein Filter (16) zur Reinigung des Gesamtvolumenstroms (13) befindet.