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DE2440376B2 - Particle size analysis of polydisperse systems with the help of laser light scattering - Google Patents

Particle size analysis of polydisperse systems with the help of laser light scattering

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Publication number
DE2440376B2
DE2440376B2 DE19742440376 DE2440376A DE2440376B2 DE 2440376 B2 DE2440376 B2 DE 2440376B2 DE 19742440376 DE19742440376 DE 19742440376 DE 2440376 A DE2440376 A DE 2440376A DE 2440376 B2 DE2440376 B2 DE 2440376B2
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DE
Germany
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frequency
scattered light
signal
particle size
computer
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Application number
DE19742440376
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German (de)
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DE2440376A1 (en
DE2440376C3 (en
Inventor
Horst Dr. 5074 Odenthal Brandt
Hubert 5670 Opladen Dedden
Juergen 5672 Leichlingen Geldmacher
Heinrich Prof. Dr. 5090 Leverkusen Nassenstein
Alfred Dr. 5090 Leverkusen Zembrod
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Original Assignee
Bayer AG
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Publication date
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Priority to GB3439775A priority patent/GB1516198A/en
Priority to BE159321A priority patent/BE832577A/en
Priority to CH1087875A priority patent/CH601790A5/xx
Priority to NL7509966A priority patent/NL7509966A/en
Priority to DK378675A priority patent/DK378675A/en
Priority to FR7526086A priority patent/FR2282636A1/en
Priority to JP50101732A priority patent/JPS5146180A/en
Publication of DE2440376A1 publication Critical patent/DE2440376A1/en
Publication of DE2440376B2 publication Critical patent/DE2440376B2/en
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Publication of DE2440376C3 publication Critical patent/DE2440376C3/en
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205Investigating particle size or size distribution by optical means

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
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  • Biochemistry (AREA)
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Description

4545

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilchengrößen-Analyse von polydispersen Systemen, insbesondere Farbstoffdispersionen, mit Hilfe der Laser-Streulichtmessung, bei dem zunächst zu jedem Streuwinkel Θ, das Frequenzspektrum des gestreuten Lichtes gemessen wird, dann zu jedem Frequenzspektrum die Kalbwertsbreite Av ermittelt und hieraus die Funktion Av (k2) berechnet wird, wobei k eine bekannte Funktion des Streuwinkels Θ, ist Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Vorrichtung geht aus von einem Streulichtspektrometer mit einer Laserlichtquelle, einer Meßküvette und einem Photodetektor zur kohärenten Demodulation des gestreuten Lichtes, einem Frequenzanalysator zur spektralen Zerlegung des demodulierten Signals und einem Rechner zur Bestimmung der Teilchenparameter.The invention relates to a method for the particle size analysis of polydisperse systems, in particular dye dispersions, with the aid of laser scattered light measurement, in which the frequency spectrum of the scattered light is first measured for each scattering angle Θ, then the calf width Av is determined for each frequency spectrum and from this the Function Av (k 2 ) is calculated, where k is a known function of the scattering angle Θ. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out this method. The device is based on a scattered light spectrometer with a laser light source, a measuring cuvette and a photodetector for the coherent demodulation of the scattered light, a frequency analyzer for the spectral decomposition of the demodulated signal and a computer for determining the particle parameters.

Die optischen Methoden bieten den besonderen Vorzug, daß die Meßsonde licht praktisch keine mechanischen Störungen des Systems verursacht und daß optische Messungen sehr schnell ausführbar sind im Gegensatz zu allen Verfahren, die mit einem mechanischen Teilchentransport verknüpft sind. Unter den Streulichtverfahren ist bisher hauptsächlich die Messung der Streuintensität als Funktion des Streuwinkels angewandt worden, die alle auf der Streutheorie von Mie beruhen. Diese Methoden sind in ihrem Anwendungsbereich begrenzt da überhaupt nur relativ enge Verteilungsbreiten und unter diesen nur kugelförmige Teilchen mit bekannten optischen Brechungs- und Absorptionsindices analysierbar sind. Nachfolgend wird ein davon wesentlich verschiedenes Streulicht-Verfahren beschrieben, mit dem an Farbstoffsuspensionen im Teilchenbereich unterhalb von etwa 1 μπι gute Ergebnisse erzielt wurden.The optical methods have the particular advantage that the measuring probe practically does not light causes mechanical disturbances of the system and that optical measurements can be carried out very quickly in the In contrast to all processes that are linked to mechanical particle transport. Under the The scattered light method has hitherto mainly been the measurement of the scattering intensity as a function of the scattering angle have been applied, all of which are based on Mie's scattering theory. These methods are in theirs The range of application is limited because it is only relatively narrow distribution widths and, among these, only spherical ones Particles with known optical refractive indices and absorption indices can be analyzed. The following is described a diffuse light method, which is essentially different from this, with which dye suspensions in the Particle range below about 1 μπι good results were achieved.

Das Verfahren benutzt die bekannte Tatsache, daß die ungeordnete, statistische Bewegung von monodispersen Streuteilchen aufgrund des optischen Dopplereffektes (F i g. 1) zu einer definierten Verbreiterung im Spektrum des gestreuten Lichts (Fig.2) führt Es ist bekannt daß die Verbreiterung des Streulichtes eines einfallenden Lichtbündels von exakt monochromatischem Spektrum lorentzförmig ist mit einer halben Halbwertsbreite Av& die in Einheiten der reziproken Schwingungsdauer gegeben ist durchThe method uses the known fact that the random, statistical movement of monodisperse scattering particles due to the optical Doppler effect (FIG. 1) leads to a defined broadening of the spectrum of the scattered light (FIG. 2). It is known that the broadening of the scattered light of an incident light beam with an exactly monochromatic spectrum is Lorentz-shaped with half a half width Av & which is given in units of the reciprocal period of oscillation

η =η =

(Dr translatorischer Diffusionskoeffizient; (Dr translational diffusion coefficient;

(4 π 11/X0) sin (0/2), Streuvektor;(4 π 11 / X 0 ) sin (0/2), scatter vector;

Streuwinkel;Scattering angle;

Vakuum-Wellenlänge des einfallendenVacuum wavelength of the incident

Lichts;Light;

Brechungsindex des Mediums.)Refractive index of the medium.)

Über eine Messung der Frequenzbreite des Streulichts läßt sich also der Diffusionskoeffizient der Translation bestimmen. Dieser wiederum ist über die für kugelförmige Teilchen gültige Sokes-Einstein-Gleichung By measuring the frequency width of the scattered light, the diffusion coefficient of Determine translation. This in turn is based on the Sokes-Einstein equation, which is valid for spherical particles

KnTK n T

mit dem Teilchenradius r verknüpft (Kb = Boltzmann-Faktor, T = absolute Temperatur, η = Viskosität des Mediums). Die Anwendung dieser Relation auf nichtkugelförmige Teilchen liefert eine Teilchengröße, die dem Radius eines bezüglich des Diffusionskoeffizienten äquivalenten, kugelförmigen Teilchens entspricht. Für in Wasser (20° C) suspendierte Teilchen im Radienbereich von 25 nm bis 500 nm erhält man bei einem Streuwinkel von 90" Ϊ ialbwertsbreitenAvsvon etwa 500 bis 24 Hz.linked to the particle radius r (Kb = Boltzmann factor, T = absolute temperature, η = viscosity of the medium). The application of this relation to non-spherical particles yields a particle size which corresponds to the radius of a spherical particle which is equivalent in terms of the diffusion coefficient. For particles suspended in water (20.degree. C.) in the radius range from 25 nm to 500 nm, at a scattering angle of 90 "value widths Avs of about 500 to 24 Hz are obtained.

Für derartige Messungen ist die außerordentlich hohe spektrale Auflösung v/4vsvonetwa3 χ 1013nötigThe extraordinarily high spectral resolution v / 4vs of about 3 χ 10 13 is necessary for such measurements

0,6μ)=5χ 10»Hz;0.6μ) = 5χ 10 »Hz;

Der apparative Aufwand ist trotzdem sehr gering. Man benutzt als Strahlungsquelle einen Gas-Laser, z. B. einen He-Ne-Laser mit Emission bei A0 = 0,6328 um.The outlay on equipment is nevertheless very low. A gas laser is used as the radiation source, e.g. B. a He-Ne laser with emission at A 0 = 0.6328 µm.

Die Frequenzanalyse des Streulichts erfolgt nach Demodulation des gestreuten Lichtes auf elektrischem Wege, entweder nach dem Heterodyn- oder nach dem Homodyn-Verfahren. Die Demodulation des Streulichtspektrums, d. h. seine Transformation in einen niederfrequenten Bereich, wird durch Differenzfrequenzbildung erreicht, im heterodynen Fall zwischen Streulicht und is direktem Laserlicht, im homodynen Fall zwischen den einzelnen Komponenten des Streulichtspektrums selbst Diese jeweils überlagerten Lichtkomponenten erzeugen am Ort des Photodetektors im allgemeinen ein Interferenzmuster, dessen Raumfrequenz mit kleiner werdendem öffnungswinkel ebenfalls abnimmt Durch zwei Blenden wird ein so enger Lichtkanal ausgeblendet, daß die gesamte wirksame Detektorfläche von nur einer Kohärenzfläche überdeckt d. h. zu allen Zeiten jeweils von einem einheitlichen Intensitätspegel bestrahlt wird. Diese Intensität ändert sich nun in der Zeit mit den Differenzfrequenzen (Schwebungsfrequenzen) aller aufgefangenen Lichtkomponenten. Entsprechend ändert sich auch der Signalstrom des Detektors. Man kann dann die Frequenzanalyse des Lichts durchführen durch eine elektronische Frequenzanalyse der Signalspannung, deren Quadrat das heterodyne bzw. homodyne Leistungsspekturm des Streulichts darstellt Wenn die Halbwertsbreite eines lorentzförmigen Streulichtspektrums — wie oben — mit Avs und mit Ανι,α bzw. Avhom entsprechend die Halbwertsbreiten des heterodyn bzw. homodyn gemessenen Leistungsspektrums bezeichnet werden, so giltThe frequency analysis of the scattered light takes place after demodulation of the scattered light by electrical means, either according to the heterodyne or the homodyne method. The demodulation of the scattered light spectrum, i.e. its transformation into a low-frequency range, is achieved by differential frequency formation, in the heterodyne case between scattered light and direct laser light, in the homodyne case between the individual components of the scattered light spectrum itself Interference pattern, the spatial frequency of which also decreases with decreasing aperture angle. A light channel so narrow that the entire effective detector surface is covered by only one coherence surface is blocked by two diaphragms, ie is irradiated at all times by a uniform intensity level. This intensity now changes over time with the difference frequencies (beat frequencies) of all light components captured. The signal current of the detector changes accordingly. It is then the frequency analysis of the light passing through an electronic frequency analysis of the signal voltage, the square of which represents the heterodyne or homodyne performance spotting tower of the scattered light, when the half width of a Lorentzian-shaped scattered light spectrum - as above - with Avs and Ανι, α or Avhom corresponding to the half-value widths of the heterodyne or homodyne measured power spectrum are referred to, then applies

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und sowohl das Heterodyn- als auch das Homodynspektrum sind wieder lorentzförmig. Da es i. a. einfacher ist Homodynspektren zu messen, wird die weitere Darstellung auf den Fall des homodynen Nachweises beschränkt Dabei soll dann mit Av jeweils die Halbwertsbreite des Homodynspektrums bezeichnet werden.and both the heterodyne and the homodyne spectrum are again Lorentz-shaped. Since it is generally easier to measure Homodynspektren that more representation is limited to the case of homodyne detection The aim is then in each case the half-width of Homodynspektrums are denoted by Av.

Bei dem Verfahren zur Teilchengrößen-Analyse gemäß dem Oberbegriff dieser Anmeldung wird also zunächst zu diskreten Streuwinkeln Θ, das Frequenzspektrum des gestreuten Lichtes gemessen, anschließend zu jedem Frequenzspektrum die Halbwertsbreite Av ermittelt und hieraus die Funktion Av (k2) berechnetIn the method for particle size analysis according to the preamble of this application, the frequency spectrum of the scattered light is first measured at discrete scattering angles Θ, then the half- width Av is determined for each frequency spectrum and the function Av (k 2 ) is calculated from this

Gemäß Formel 1 ergibt sich für monodisperse Systeme für Av (k2) eine Gerade mit der Steigung Dt-Aus der Formel für den translatorischen Diffusionskoeffizienten Dj-erhält man dann den Teilchenradius r. According to formula 1, a straight line with the slope Dt results for monodisperse systems for Av (k 2 ) . The particle radius r is then obtained from the formula for the translational diffusion coefficient Dj-.

An kugelförmigen Polystyrol-Latices wurden Testmessungen durchgeführt die in jeder Hinsicht zufriedenstellend ausfielen. Die vom Hersteller angegebenen Latex-Radien konnten mit großer Genauigkeit aus der Streulichtmessung bestätigt werden. Darüber hinaus ergab sich aus der Auftragung der Frequenzbreite Av über dem Quadrat des Streuvektors k2 der theoretisch geforderte lineare Zusammenhang (Fig.3). Die Auswertung der spektralen Messung bei einem Winkel θ zur Ermittlung der Halbwertsbreite Av geschieht so, daß an die Meßkurve eine Lorentzverteüung optima!Test measurements were carried out on spherical polystyrene latices which were satisfactory in every respect. The latex radii specified by the manufacturer could be confirmed with great accuracy from the scattered light measurement. In addition, plotting the frequency width Av over the square of the scattering vector k 2 resulted in the theoretically required linear relationship (FIG. 3). The evaluation of the spectral measurement at an angle θ to determine the half- width Av is done in such a way that a Lorentz distribution is optimal on the measurement curve!

angepaßt wird, deren Halbwertsbreite dann das Resultat darstellt (F i g. 4).is adjusted, the half-width of which then represents the result (FIG. 4).

Nach diesen an monodispersen Teilchen getesteten Meß- und Auswerteverfahren wurden polydisperse, in Wasser und anderen Flüssigkeiten suspendierte, organische Farbstoffteilchen untersucht Das Ergebnis dieser Messungen war ein nichtlinearer Verlauf der Av (J2)-Kurve derart, daß im Winkelbereich unterhalb von etwa 130° eine einheitlich positive Krümmung auftritt Oberhalb von etwa 130° steigt die Kurve dann meistens etwas schwächer an und kann sich je nach Probe, Betrag und Vorzeichen der Krümmung ändern (siehe Abb. 7 und 8). Gemeinsames Kennzeichen der untersuchten polydispersen Systeme war eine positive Krümmung der Av (k2)-Karve im Winkelbereich bis etwa 130°.After these tested on monodisperse particles measurement and evaluation polydisperse, suspended in water and other liquids, organic dye particles have been investigated The result of these measurements was a non-linear course of the Av (J 2) curve such that in the angular range below about 130 ° uniform positive curvature occurs Above about 130 ° the curve then rises a little less and can change depending on the sample, amount and sign of the curvature (see Fig. 7 and 8). The common characteristic of the investigated polydisperse systems was a positive curvature of the Av (k 2 ) curve in the angular range up to about 130 °.

Das oben beschriebene Verfahren ist daher nicht mehr anwendbar.The method described above can therefore no longer be used.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auch im Fall von polydispersen Systemen eine Aussage über die charakteristischen Teilchendaten mit Hilfe der Laserlichtstreuung zu gewinnen.The invention is now based on the object of making a statement about, even in the case of polydisperse systems to obtain the characteristic particle data with the help of laser light scattering.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches beschriebenen Weise gelöst Weiterbildungen der Erfindung sowie eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.According to the invention, this object is described in the characterizing part of the claim Way solved further developments of the invention as well as one for carrying out the invention Apparatus suitable for the method are described in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt im Zusammenhang mit der neuen Meßapparatur die Durchführung einer kompletten Teilchengrößenanalyse in wenigen Minuten. Dadurch wurde der Einsatz als Routineanalysengerät ermöglicht Die so gewonnenen charakteristischen Teilchendaten stimmen sehr gut mit den Werten überein, die man z. B. mit Hilfe der Scheibenzentrifugen-Meßmethode erhältThe method according to the invention allows it to be carried out in conjunction with the new measuring apparatus a complete particle size analysis in a few minutes. This made use as a routine analysis device The characteristic particle data obtained in this way agree very well with the Values that you can e.g. B. using the disc centrifuge measuring method receives

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Aulsführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigtIn the following, the invention will be described in greater detail on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing described. It shows

F i g. 1 das Prinzip der Frequenzänderung bei der Laserlichtstreuung,F i g. 1 the principle of frequency change in laser light scattering,

F i g. 2 die Frequenzverbreiterung infolge des Streuprozesses, F i g. 2 the frequency broadening as a result of the scattering process,

F ig. 3 Av (k2) für monodisperse Latices, Fig. 3 Av (k 2 ) for monodisperse latices,

Fig.4 die Auswertung durch Anpassung einer Lorentz-Funktion,4 shows the evaluation by adapting a Lorentz function,

F i g. 5 den Aufbau der Streulichtküvette,F i g. 5 the structure of the scattered light cuvette,

F i g. 6 den Aufbau der Meßapparatur,F i g. 6 the construction of the measuring apparatus,

Fig.7 Av (k1) Diagramm einer polydispersen Farbstoffdispersion,Fig. 7 Av (k 1 ) diagram of a polydisperse dye dispersion,

Fig.8 Av (k2) Diagramm einer polydispersen Farbstoffdispersion.Fig. 8 Av (k 2 ) diagram of a polydisperse dye dispersion.

Die Fig. 1—4 wurden bereits in der Einleitung erläutert Fig.5 zeigt schematisch den Aufbau der Streulichtküvette. Die Küvette besteht aus dem zylindrischen Glasgefäß 1 mit den beiden seitlichen Rohransätzen 2 und 3. Die beiden Rohre 2 und 3 sind in Richtung der Küvettenachse nach oben umgewinkelt. Das Rohr 2 ist etwa in der Mitte der Küvette angesetzt und besteht aus Schwarzglas. Die Küvette wird in der Apparatur so justiert, daß der Primärlichtstrahl 4 in die Achse des seitlichen Rohransatzes 2 einfällt Der PriirSrstrahl wird dann außerhalb des zylindrischen Meßraumes 1 durch Vielfachreflexion und Absorption in der Rohrwandung praktisch vollkommen ausgelöscht. Das Rohr 2 wirkt also als Lichtfalle für den Primärstrahl 4.FIGS. 1-4 have already been explained in the introduction. FIG. 5 shows schematically the structure of FIG Stray light cuvette. The cuvette consists of the cylindrical glass vessel 1 with the two sides Tube sockets 2 and 3. The two tubes 2 and 3 are angled upwards in the direction of the cuvette axis. The tube 2 is placed approximately in the middle of the cuvette and consists of black glass. The cuvette is in the Apparatus adjusted so that the primary light beam 4 is incident on the axis of the lateral tube extension 2 PriirSrstrahl is then outside the cylindrical measuring space 1 by multiple reflection and absorption practically completely extinguished in the pipe wall. The tube 2 thus acts as a light trap for the primary beam 4th

Der Boden des zylindrischen Meßgefäßes 1 ist konisch ausgebildet. An seinem tiefsten Punkt ist dasThe bottom of the cylindrical measuring vessel 1 is conical. At its lowest point this is

Röhrchen 3 angesetzt. Es dient zum Absaugen der Meßflüssigkeit 5 und zum Einfüllen von Spülflüssigkeiten. Diese Anordnung erlaubt ein automatisiertes zyklisches Beschicken der Küvette von abwechselnd Spül- und Meßflüssigkeit, so daß die Messung einer großen Probenzahl automatisch ablaufen kann.Tube 3 attached. It is used to suck off the measuring liquid 5 and to fill in rinsing liquids. This arrangement allows an automated cyclic loading of the cuvette alternately Rinsing and measuring liquid so that a large number of samples can be measured automatically.

In F i g. 6 ist der optische und elektronische Teil der Meßapparatur schematisch dargestellt Die ausgezogenen Linien repräsentieren den Signal- und Datenfluß, die gestrichelten Linien deuten die Steuerfunktionen an. ι ο Der Laserstrahl eines in der TEMoo-Schwingung strahlenden He-Ne-Lasers 6 (A0 = 0,6328 μπι) wird mittels einer langbrennweitigen Linse 7 (f = 60 cm) in eine Küvette 8 fokussiert, in der sich die zu untersuchende Substanz befindet Der Durchmesser des Strahls in der Küvette 8 ist ungefähr 100 μιπ. Zwischen der Küvette 8 und dem Laser 6 ist eine Blende 9 angeordnet, die völlig geschlossen werden kann.In Fig. 6 the optical and electronic part of the measuring apparatus is shown schematically. The solid lines represent the signal and data flow, the dashed lines indicate the control functions. ι ο The laser beam of a He-Ne laser 6 (A 0 = 0.6328 μπι) radiating in the TEMoo oscillation is focused by means of a long focal length lens 7 (f = 60 cm) in a cuvette 8 in which the to be examined Substance is located The diameter of the beam in the cuvette 8 is approximately 100 μιπ. Between the cuvette 8 and the laser 6 there is a shutter 9 which can be completely closed.

Das aus der Meßküvette 8 austretende Streulicht fällt durch eine Doppellochblendenanordnung 10 auf die Photokathode eines Photovervielfachers 11 und wird dort demoduliert und ca. 107fach verstärkt Mit der Doppellochblendenanordnung 10 kann die Apertur so weit verringert werden, daß die gesamte wirksame Detektorfläche von nur einer Kohärenzfläche überdeckt wird. Der mit dem Detektor erfaßte Intensitätspegel ist dann räumlich konstant Photoverfielfacher 11 und Doppellochblende 10 sind auf einer optischen Bank montiert, die um das Küvettenzentrum schwenkbar ist. Auf diese Weise kann der Streuwinkel Θ, im Bereich von 10° bis 170° in Schritten von z.B. 10° mit einer Genauigkeit von ± 1/150° eingestellt werden.The light emerging from the measuring cell 8 scattered light passes through a double pinhole diaphragm assembly 10 onto the photocathode of a photomultiplier 11, and is demodulated there and about 10 7 fold amplified with double hole aperture array 10, the aperture can be reduced, so that the entire active detector area of one coherence area is covered. The intensity level detected with the detector is then spatially constant. In this way, the scattering angle Θ can be set in the range from 10 ° to 170 ° in steps of, for example, 10 ° with an accuracy of ± 1/150 °.

Das Frequenzspektrum des gestsreuten Lichts ist in F i g. 2 dargestellt Die spektrale Zerlegung erfolgt nach dem Homodynverfahren. Dabei werden die im Streulicht vorhandenen Frequenzkomponenten aufgrund der nichtlinearen Kennlinie des Photovervielfachers 11 miteinander gemischt Durch die Mischung treten Summen und Differenzfrequenzen auf. Während die Summenfrequenzen im optischen Gebiet liegen und nicht zur Anzeige gebracht werden, liegen die Differenzfrequenzen (Schwebungsfrequenzen) im Niederfrequenzbereich. Die Frequenzanalyse des Streulichts kann dann durch eine elektronische Frequenzanalyse der am Arbeitswiderstand des Photovervielfachers abgegriffenen Signalspannung erfolgen. Unter der Bedingung der homodynen Frequenzanalyse gilt für lorentzförmige Leistungsspektren des Streulichts (Halbwertsbreite Avs), daß auch die homodynen elektrischen Leistungsspektren lorentzförmig sind (Halbwertsbreite Avhon) und daß ferner die Bedingung Avhom=2 · Av s erfüllt istThe frequency spectrum of the scattered light is shown in FIG. 2 shown The spectral decomposition takes place according to the homodyne method. The frequency components present in the scattered light are mixed with one another due to the non-linear characteristic curve of the photomultiplier 11. The mixing results in sums and difference frequencies. While the sum frequencies are in the optical area and are not displayed, the difference frequencies (beat frequencies) are in the low frequency range. The frequency analysis of the scattered light can then be carried out by an electronic frequency analysis of the signal voltage tapped at the working resistor of the photomultiplier. Under the condition of the homodyne frequency analysis, it applies to Lorentz-shaped power spectra of the scattered light (half-width Avs) that the homodyne electrical power spectra are also Lorentz-shaped (half- width Avhon) and that the condition Avhom = 2 · Av s is also fulfilled

Das niederfrequente Signal wird am Vorverstärker 12 verstärkt und anschließend dem Frequenzanalysator 13 zugeführt Der Frequenzanalysator 13 ist ein sogenannter Real-Time-Analysator und besteht aus einer großen Zahl von parallel geschalteten Festfrequenzfiltern, an denen das Signal gleichzeitig ansteht Es können sowohl analog als auch digital arbeitende Frequenz-Analysatoren benutzt werden, z. B. auch ein Fourier-Analysator. Das Ausgangssignal an den Filtern im Frequenzanalysator 13 wird durch den Scanner 14 rechnergesteuert abgetastet und im Rechner 15 gespeichert Aus den gespeicherten Daten bestimmt der Rechner die Halbwertsbreite Av der Frequenzverteilung unter gleichzeitiger Glättung des mit statistischen Schwankungen behafteten Signals. Anschließend ermittelt der Rechner 15 den mittleren Teilchendurchmesser d und die Halbwertsbreite α der Teilchengrößenverteilung durch Anpassung einer logarithmischen Normalverteilung an den Wertesatz je/,} nach der Methode des kleinsten Fehlerquadrates. Die Auswertung geht im einzelnen so vor sich, daß jedem Wertepaar (Avi, k2j) gemäß der folgenden Formeln ein äquivalenter Durchmesser ^/zugeordnet wird:The low-frequency signal is amplified at the preamplifier 12 and then fed to the frequency analyzer 13. The frequency analyzer 13 is a so-called real-time analyzer and consists of a large number of fixed-frequency filters connected in parallel to which the signal is available at the same time Frequency analyzers are used, e.g. B. also a Fourier analyzer. The output signal at the filters in the frequency analyzer 13 is scanned by the scanner 14 under computer control and stored in the computer 15. From the stored data, the computer determines the half- width Av of the frequency distribution while smoothing the signal with statistical fluctuations. The computer 15 then determines the mean particle diameter d and the half width α of the particle size distribution by adapting a logarithmic normal distribution to the set of values per /,} according to the method of the least square error. The evaluation proceeds in such a way that each value pair (Avi, k 2 j) is assigned an equivalent diameter ^ / according to the following formulas:

Λ r,Λ r,

= D1,Ιή = 1 · D 1 , Ιή

D1 = D 1 =

KB TK B T

3 π »ι d; 3 π »ι d;

Av7 ist, wie oben erläutert, die halbe Halbwertsbreite des gemessenen homodynen Frequenzspektrums des Streulichts, ki der Streuvektor, der wesentlich eine Funktion des Streuwinkels Θ, ist. As explained above, Av 7 is half the width at half maximum of the measured homodyne frequency spectrum of the scattered light, ki is the scattering vector, which is essentially a function of the scattering angle Θ.

ki - ki -

(ΊΓ)(ΊΓ)

sinsin

/ΘΛ/ ΘΛ

Man erhält so einen Wertesatz von Teilchendurchmessern di, die als Häufigkeitsdichte interpretiert wird. An diese Häufigkeitsdichte wird dann die logarithmische Normalverteilung, die durch die beiden Parameter d und σ gekennzeichnet ist unter der Bedingung des kleinsten Fehlerquadrates optimal angepaßtThis gives a set of values for particle diameters di, which is interpreted as the frequency density. The logarithmic normal distribution, which is characterized by the two parameters d and σ, is then optimally adapted to this frequency density under the condition of the smallest error square

Die Rechnerausgabe erfolgt durch einen Schreiber oder Drucker 16, der Bedienungsdialog mit dem Rechner durch die Bedienungseinheit 17.The computer output is carried out by a writer or printer 16, the operating dialog with the Computer through the control unit 17.

Die Steuerung der Meßapparatur erfolgt vollautomatisch durch den Rechner 15, der im Echtzeitbetrieb arbeitet Neben den bereits erwähnten Rechen- und Speicherfunktionen werden folgende Steuerfunktionen durch den Rechner ausgeführt:The control of the measuring apparatus takes place fully automatically by the computer 15, which operates in real time works In addition to the arithmetic and storage functions already mentioned, the following control functions executed by the computer:

1. Schließen der Blende 9 im Laserprimärstrahl zur Bestimmung des Rauschpegels.1. Close the aperture 9 in the primary laser beam to determine the noise level.

2. Einstellung des Winkels Θ/ zur Messung des gestreuten Lichts nach einem vorgewählten Winkelprogramm. 2. Setting the angle Θ / for measuring the scattered light according to a preselected angle program.

3. Ermittlung und Anpassung des optimalen Verstärkungsgrades des Vorverstärkers 12 an die Intensität des zu messenden Streulichts.3. Determination and adaptation of the optimal gain of the preamplifier 12 to the intensity of the scattered light to be measured.

4. Einstellung der Integrationszeit der Filter im Frequenzanalysator 13.4. Setting the integration time of the filters in the frequency analyzer 13.

5. Einstellung der Anzahl, Frequenz und Reihenfolge der Signalabfrage am Ausgang der Filter durch den Scanner.5. Setting the number, frequency and sequence of the signal polling at the output of the filter by the Scanner.

6. Überwachen auf Übersteuerung der Frequenzfilter 8 und des Photovervielfachers 11.6. Monitoring for overloading of the frequency filter 8 and the photomultiplier 11.

Die automatische Steuerung der Meßfunktion erlaubt eine wesentliche Verkürzung der Analysenzeit Der Rechner steuert die Integrationszeit der Filter im Frequenzanalysator 13, die Reihenfolge und die Zahl der Abtastungen in der Weise, daß die Meßzeit bei einer vorgegebenen Meßgenauigkeit minimal wird. Diese Steuerung des Meßvorganges ermöglicht eine komplette Teilchenanalyse in wenigen Minuten bei minimalem Bedienungsaufwand. Im Gegensatz dazu liegen die Analysenzeiten bei anderen vergleichbaren Meßverfahren zwischen einigen Stunden und einigen Tagen. Die Bedienung beschränkt sich auf das Einfüllen der Probe in die Meßküvette 8 und einige analysenspezifische Eingaben an der Bedienungseinheit 17 im Dialog mit dem Rechner 15. Der gesamte Meßvorgang bis zum fertigen Protokoll und die Rückführung des Gerätes in einen definierten Ausgangszustand wird also von der Meßapparatur selbstätig ausgeführtThe automatic control of the measuring function allows a significant reduction in the analysis time Der The computer controls the integration time of the filters in the frequency analyzer 13, the sequence and the number of the scans in such a way that the measurement time at a specified measurement accuracy is minimal. This control of the measuring process enables a complete Particle analysis in a few minutes with minimal operator effort. In contrast, the Analysis times for other comparable measuring methods between a few hours and a few days. the Operation is limited to filling the sample into the measuring cell 8 and some analysis-specific items Entries on the operating unit 17 in dialogue with the computer 15. The entire measuring process up to The finished protocol and the return of the device to a defined initial state is therefore handled by the Measuring apparatus carried out automatically

Hierzu 8 Blatt ZeichnungenIn addition 8 sheets of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Teilchengrößen-Analyse von polydispersen Systemen, insbesondere Farbstoffdispersionen, mit Hilfe der Laserstreulichtmessung, bei dem zunächst zu jedem Streuwinkel Θ; das Frequenzspektrum des gestreuten Lichts gemessen wird, dann zu jedem Frequenzspektrum die Halbwertsbreite Av ermittelt und hieraus die Funktion Av ίο (k2) berechnet wird, wobei k eine bekannte Funktion des Streuwinkels Θ,- ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur_ Ermittlung des mittleren Teilchsndurchmessers d und eine die Breite σ der Teilchengrößenverteilung kennzeichnenden Größe die charakteristischen Krümmungen der Funktion Av (&) im Bereich 10° < Θ,- £ 170° bestimmt werden.1. A method for the particle size analysis of polydisperse systems, in particular dye dispersions, with the aid of laser scattered light measurement, in which initially for each scattering angle Θ; the frequency spectrum of the scattered light is measured, then the half-width Av is determined for each frequency spectrum and the function Av ίο (k 2 ) is calculated from this, where k is a known function of the scattering angle Θ, -, characterized in that zur_ determination of the mean particle diameter d and a variable characterizing the width σ of the particle size distribution, the characteristic curvatures of the function Av (&) in the range 10 ° <Θ, - £ 170 ° can be determined. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Krümmung der Funktion Av (k2) im Winkelbereich 10" < Θ, < 130° bestimmt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the positive curvature of the function Av (k 2 ) is determined in the angular range 10 "<Θ, <130 °. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus einem Streulichtspektrometer mit einer Laserlichtquelle, einer Meßküvette und einem Photodetektor zur kohärenten Demodulation des gestreuten Lichts, einem Frequenzanalysator zur spektralen Zerlegung des demodulierten Signals und einem Rechner zur Bestimmung der Teilchenparameter d und σ, dadurch gekennzeichnet, daß3. Apparatus for performing the method according to claim 1 and 2, consisting of a scattered light spectrometer with a laser light source, a measuring cuvette and a photodetector for coherent demodulation of the scattered light, a frequency analyzer for the spectral decomposition of the demodulated signal and a computer for determining the particle parameters d and σ, characterized in that a) daß der Frequenzanalysator (13) eine Vielzahl von parallel geschalteten Festfrequenzfiltern aufweist, an denen das demodulierte und durch einen Vorverstärker (12) verstärkte Signal gleichzeitig ansteht,a) that the frequency analyzer (13) has a plurality of fixed frequency filters connected in parallel has, at which the demodulated and amplified by a preamplifier (12) signal is pending at the same time, b) und daß ein Scanner (14) vorgesehen ist, der das Ausgangssignal der Filter abfragt und digitalisiert und mit dem Rechner (15) zur Übertragung der digitalisierten Werte in Verbindung stehtb) and that a scanner (14) is provided which interrogates and digitizes the output signal of the filter and is connected to the computer (15) for the transmission of the digitized values 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Operationen durch den Rechner (15) steuerbar sind:4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the following operations by the Computer (15) can be controlled: a) Einstellung des Photodetektors (11) auf die Streuwinkel Θ»a) Setting the photodetector (11) to the scattering angle Θ » b) Einstellung des Verstärkungsgrades am Vorverstärker (12),b) Adjustment of the gain level on the preamplifier (12), c) Einstellung der Integrationszeit der Filter,c) setting the integration time of the filters, d) Einstellung der Anzahl, Frequenz und Reihenfolge der Signalabfrage am Ausgang der Filter durch den Scanner (14),d) Setting the number, frequency and sequence of the signal polling at the output of the filter through the scanner (14), e) Betätigung einer Blende (9) im Strahlengang und getrennte Messung von Signal- und Rauschspektrum.e) actuation of a diaphragm (9) in the beam path and separate measurement of signal and Noise spectrum. 4040
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