DE3315456C2 - Vorrichtung zur Bestimmung von Partikelgrößen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Bestimmung von in einem Fluid enthaltenen Partikeln nach Größe und/oder Verteilung besteht aus einem Laser mit einer radialen Abschirmung des Strahls, einer Linse, in deren Fokus das Meßvolumen angeordnet ist und die das aus dem Meßvolumen rückwärts gestreute Licht parallel richtet, mehreren hintereinander angeordneten, die Abschirmung konzentrisch umgebenden Ringblenden mit mehreren konzentrischen Ringspalten sowie aus den Ringspalten der letzten Ringblende zugeordneten, die Strahlungsintensität aufnehmenden Detektoren und einer Auswertungseinrichtung. Das Laserlicht passiert die Abschirmung und tritt durch die Linse in das Meßvolumen ein. Das von dem Partikel im Brennpunkt rückgestreute Licht passiert die Linse und wird parallel gerichtet. Nur Licht mit einem definierten Streuwinkel, entsprechend einem der Ringspalte, dringt bis zur letzten Ringblende vor. In der Auswerteinrichtung wird das Intensitätsverhältnis bei zwei oder mehr Streuwinkelpaaren gebildet, die Verhältniswerte mit dem errechneten Verlauf des Intensitätsverhältnisses für die drei Streuwinkelpaare in Abhängigkeit von der Partikelgröße verglichen und der Koinzidenzwert der Partikelgröße für alle drei Streuwinkelpaare, der der gesuchten Partikelgröße entspricht, festgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von in einem Fluid enthaltenen Partikeln nach Größe und/oder Verteilung, bestehend aus einer Quelle mit parallelstrahliger Emission, z. B. einem Laser, einer Linse, in deren Fokus das Meßvolumen angeordnet ist, einer die Streustrahlung aus dem Meßvolumen parallel richtenden Linse, mehreren dahinter angeordneten konzentrischen Ringblenden, den Ringspalten der letzten Ringblende zugeordneten, die Strahlungsintensität bei dem entsprechenden Streuwinkel aufnehmenden Detektoren und einer Auswertungseinriehtung, die die Intensitätsverhältnisse bei zwei oder mehr Streuwinkelpaaren bildet, die Verhältniswerte mit dem errechneten Verlauf der Intensitätsverhältnisse in Abhängigkeit von der Partikelgröße vergleicht und den Koinzidenzwert der Parikelgröße für alle Streuwinkelpaare feststellt
Eine Vorrichtung dieses Aufbaus ist bekannt (US-PS

ίο 41 88 121) und dient dazu. Partikel (Feststoff oder Flüssigkeitstropfen) in vorzugsweise strömenden Fluiden (Gase oder Flüssigkeiten) zu bestimmen. Als typische Beispiele können die Überwachung des Staubgehaltes der Luft, Abgasuntersuchungen an Verbrennungsma-

schinen, Überwachung der Rußbildung bei Verbrennungsprozessen, Bestimmung der Tropfengröße in Kühlturmschwaden, bei Dampfturbinen oder Brennstoffzerstäubern genannt werden. Die Praxis hat gezeigt, daß eine Messung durch Probenahme aus Aerosolströmen vor allem die Partikelverteilung verfälscht; auch ist in vielen Fällen die Probenahme mit erheblichem Aufwand verbunden und in einigen Fällen, z. B. bei der Bestimmung der Tröpfchengröße bei Dampfturbinen, unmöglich.

Die eingangs angedeutete Vorrichtung nutzt zunächst grundsätzlich die bekannte physikalische Tatsache, daß einerseits Partikel, die einen Lichtstrahl passieren, Streulicht in die Umgebung abgeben, andererseits die Intensität des Streulichtes unter einem bestimmten Streuwinkel Informationen über die Teilchengröße gibt. Als Strahlungsquelle dient ein Laser, dessen Emission über eine Linse im Meßvolumen fokussiert wird. Das Streulicht wird über eine Linse einem System von mindestens zwei hintereinander angeordneten Ringblenden mit jeweils mehreren konzentrischen Ringspalten zugeführt. Die Ringspalte beider Ringblenden weisen jeweils einen gleichen mittleren Durchmesser auf. Die verschiedenen Ringspalte der beiden Ringblenden sollen dafür sorgen, daß nur Streulicht mit einigen diskreten Streuwinkeln die Ringblenden passieren können. Das Streulicht je eines Ringspaltes wird von einem Detektor, z. B. einem Fotomultiplier aufgenommen und gemessen.

Die Streulichtleistung durch einen Ringspalt läßt sich rechnerisch ermitteln (G. Mie: »Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen« Ann. Phys. 1908, Heft 25, Seite 377 ff. und M. Kerker: »The Scattering of Light and other Electromagnetic Radiation« Academic Press New York, San Francisco, London, 1969). Bei dem bekannten Verfahren wird aus der unter zwei Streuwinkeln gemessenen Intensität der Verhältniswert gebildet. Eine rechnerische Ableitung zeigt dann, daß dieser Verhäitniswert unabhängig von der Ausgangsintensität des Lichtstrahls ist. Dies ist deshalb von großer Bedeutung, weil diese Ausgangsintensitat über den Strahldurchmesser beispielsweise einer Gaußkurve folgt und infolgedessen bei der Messung nicht bekannt ist, da wiederum nicht bekannt ist, an welcher Stelle das Partikel den Strahl durchquert. Ferner erübrigt diese VerhältniswertbiJdung eine sonst notwendige Stabilisierung der Lichtquelle. Auf diese Weise ist es möglich, bei bekanntem Brechungsindex des Partikels zu einem bestimmten Streuwinkelpaar durch das zugehörige Intensitätsverhältnis die Parikelgröße zu bestimmen. Dabei war jedoch zu berücksichtigen, daß das Intensitätsverhältnis eine nicht eindeutige Funktion der Partikelgröße ist, vielmehr sind einem bestimmten Intensitätsverhältnis für ein bestimmtes Streuwinkelpaar mehrere Partikelgrößen zuzuordnen. Aus diesem

Grund werden die Streulichtintensitäten unter mehreren Winkeln aufgenommen, woraus dann mehrere Intensitätsverhältnisse für ein und das gleiche Partikel gebildet werden. Der Vergleich von beispielsweise drei Verhältniswerten zeigt dann, daß diese mit cen errechneten Werten nur für eine Partikelgröße koinzidieren. Dieser Koinzidenzwert ist dann die gesuchte Partikelgröße.

Die bekannte Methode hat den Nachteil, daß das Meßvolumen zwischen der Strahlungsquelle und der Aufnahmeeinrichtung bzw. der Meßwertverarbeitung liegen muß. Dies ist natürlich in vielen Fällen, beispielsweise bei großen Strömungsquerschnitten, entsprechenden konstruktiven Gegebenheiten etc. nicht zu verwirklichen.

Eine andere bekannte Vorrichtung (DE-OS 19 64 578) umgeht dieses Problem, indem das Licht nach dem Auftreffen auf die Partikel rückgestreut und mit radialem Abstand vom einfallenden Licht mittels zwei Fotozellen, die an der Innenwand des vom Fluid durcnströmten Meßrohres angeordnet sind, aufgenommen wird. Hiermit ist jedoch nur eine sehr große Trübungsmessung bzw. Kollektivmessung des Fluids möglich. Eine Bestimmung der exakten Partike'größe kann mit dieser Vorrichtung nicht erfolgen.

Eine weitere Vorrichtung (DE-AS 19 19 628) ist derart aufgebaut, daß durch eine externe Meßzelle ein Fluidteilstrom geleitet wird, d. h. dem Fluidstrom ein Meßvolumen entnommen wird, und die darin dispergierten Partikel das von einer Lichtquelle emittierte Licht rückstreuen. Dieses Streulicht fällt auf PhotomuJ · tiplier, die die dabei entstehenden Signale zählen. Mit dieser Vorrichtung können zwar die in einem strömungsfähigen Medium verteilten Partikel gezählt werden, aber auch hier ist eine exakte Bestimmung der Partikelgröße nicht möglich, da diese Vorrichtung ein Partikelzähler darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung des eingangs genannten Aufbaus zum Messen der Partikelgröße so auszubilden, daß eine Messung vor Ort ohne besondere konstruktiven Vorkehrungen am Meßort möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung die vom Meßvolumen in Richtung zur Strahlungsquelle reflektierte Streustrahlung aufnimmt und ein zylindrisches Gehäuse aufweist, das axial von einem den Strahl abschirmenden und die Ringblenden axial durchgreifenden Rohr durchsetzt und an seinem dem Meßvolumen zugekehrten Ende von einer den Strahl auf das Meßvolumen fokussierenden und die reflektierte Streustrahlung parallel richtenden Linse abgeschlossen ist, wobei die Detektoren der der Strahlenquelle nächstliegenden Ringblende zugeordnet sind.

Im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik arbeitet also die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Rückstreuung, so daß die Messung von einer einzigen Stelle aus erfolgen kann, insbesondere kein Strahlendurchgang durch das Meßvolumen mehr notwendig ist. Der von einem die Ringblenden axial durchgreifenden Rohr abgeschirmte Lichtstrahl wird mit der im zylindrischen Gehäuse an dem dem Meßvolumen zugekehrten Ende angebrachten Linse in das Meßvolumen fokussiert. Dieselbe Linse richtet die Rückstrahlung parallel und leitet sie durch das zylindrische Gehäuse zu den Detektoren weiter. Damit ist die Bestimmung der Partikelgröße weitgehend unabhängig von der Zugänglichkeit des Meßvolumens auf der der Einstrahlung abgewandten Seite und es braucht insbesondere auf konstruktive Gegebenheiten am Meßort keine Rücksicht genommen werden. Durch diese Ausführungsform der Erfindung wird eine besonders kompakte Bauweise erzielt, indem die Ringblenden durch das Abschirmrohr zugleich zentriert sind.

In weiterer Entwicklung dieser Ausführungsform ist das zylindrische Gehäuse an seinem der Strahlungsquelle zugekehrten Ende von der letzten Ringblende abgeschlossen. Auf diese Weise ist der gesamte meßtechnisehe Teil in einem einfachen zylindrischen Gehäuse zusammengefaßt, das ohne Schwierigkeiten an den Meßort herangebracht werden kann.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, in dem Gehäuse wenigstens vier, vorzugsweise fünf Ringblenden mit mindestens jeweils drei, vorzugsweise vier Ringspalten hintereinander anzuordnen. Durch die Anzahl der Ringblenden wird sichergestellt, daß am Detektor tatsächlich nur die Streulichtintensität unter einem diskreten Streuwinkelbereich aufgenommen wird, während durch die Anzahl der Ringspalte jeder einzelnen Ringblende die Möglichkeit gegeben ist, die Intensitätsverhältnisse aus zwei oder mehr Streuwinkeln zu ermitteln, so daß die Vorrichtung über einen weiten Meßbereich eingesetzt werden kann.

Einem bestmöglichen Ausblenden des Streulichtes dient die weitere Maßnahme, daß die Ringblenden von der Linse aus mit zunehmendem Abstand voneinander angeordnet sind.

Zweckmäßigerweise sind die Ringspalie der der Strahlungsquelle nächstliegenden Ringblende über optische Lichtleiter mit den Detektoren verbunden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Meßwertaufnahme von der meßtechnischen Einrichtung selbst räumlich zu trennen, während die Meßlichtverarbeitung immer getrennt erfolgen kann.

Die Meßwertaufnahme läßt sich wiederum dadurch kompakt ausbilden, daß die Detektoren um die Lichtquelle herum angeordnet sind.
Schließlich ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Linse an dem zylindrischen Gehäuse auswechselbar angebracht ist. Sie läßt sich dadurch gegen eine andere Linse mit anderem Brechungsverhältnis austauschen, um beispielsweise den Gegebenheiten an der Meßstelle (Abstand zum Meßvolumen) Rechnung tragen zu können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 einen schematischen Aufbau der Vorrichtung, teilweise im Längsschnitt;

Fig.2 eine Stirnansicht einer Ringblende (teilweise abgebrochen) und

Fig.3 eine graphische Darstellung des Verlaufs des Intensitätsverhältnisses in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser bei drei Streuwinkelpaaren.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Aufnahmekopf 1 und einer Strahlungsquelle, z. B. in Form eines Lasers 2, dessen Lichtstrahl 7 auf die Meßstelle 6, z. B. den Austritt einer Düse gerichtet ist. Der Laserstrahl 7 durchdringt den Aufnahmekopf 1, der im wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse gebildet ist, in dessen Achse und ist dort von einem in der Achse angeordneten Rohr 12 radial abgeschirmt Das Rohr 12 mündet an der Innenfläche einer bikonvexen Linse 14 aus, die den Strahl 7 auf das Meßvolumen 6 fokussiert. Innerhalb des Aufnahmekopfs 1 sind auf dem Rohr 12 mehrere Ringblenden 13 axial hintereinander angeordnet, wobei ihr Abstand vonein-

ander von der Linse 14 aus zum gegenüberliegenden Ende des Aufnahmekopfs 1 zunimmt. Jede Ringblende 13 besitzt mehrere, beim gezeigten Ausführungsbeispiel 4 Ringspalte 15 mit einem mittleren Radius r, und einer Spaltbreite Jr₁. An der Strahlungsquelle 2 nächstliegenden Ringblende 13, die das zylindrische Gehäuse des Aufnahmekopfs 1 rückwärtig abschließt, sind die Ringspalte 15 mit Lichtleitern 4 belegt, die mit Photomultipliern 3 verbunden sind.

Das an einem Partikel im Meßvolumen 6 nach rückwärts reflektierte Streulicht 5 fällt zum Teil auf die Linse 14, wird von dieser parallelgerichtet und in den Aufnahmekopf 1 hineingeleitet. Die dort hintereinander angeordneten Ringblenden 13 blenden den größten Teil des Streulichtes aus und lassen schließlich nur das Streulicht unter vier diskreten Streuwinkeln θ\, θι, θ% und θ«, passieren. Der Streuwinkel errechnet sich dabei aus der Gleichung r, = f ■ tan Θ* wobei / die Brennweite der Linse 14 ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird also das Streulicht eines Partikels simultan unter vier Streuwinkeln aufgenommen und dessen Intensität von den Photomultipliern 3, die um die Strahlungsquelle 2 herum angeordnet sind, gemessen.

Aus Fig.3 ergibt sich die Wirkungsweise des Meßverfahrens. Hier sind übereinander drei Diagramme wiedergegeben, in denen jeweils das Intensitätsverhältnis in Abhängigkeit von der Partikelgröße für jeweils ein Streuwinkelpaar aufgetragen ist. Das obere Diagramm zeigt, daß sich z. B. für ein Intensitätsverhältnis von 0,85 aus den für die Streuwinkel 168° und 171° gemessenen Streulichtintensitäten insgesamt neun mögliche Partikelgrößen ergeben. Für das weitere Streuwinkelpaar 168°/177° entspricht der Verhältniswert 0,5 der gemessenen Streulichtintensitäten wiederum sechs möglichen Partikelgrößen, während für das Streuwinkelpaar 174°/187° bei einem Verhältniswert von 0,3 der hier gemessenen Streulichtintensitäten noch vier Partikelgrößen in Frage kommen. Für alle vier Messungen (168°, 171°, 174° und 177°) ergibt sich jedoch nur ein einziger koinzidierender Wert für die Partikelgröße 6,8 μπ\. Hierbei handelt es sich dann um die gesuchte Größe des gemessenen Partikels.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung von in einem Fluid enthaltenen Partikeln nach Größe und/oder Verteilung, bestehend aus einer Quelle mit parallelstrahliger Emission, z. B. einem Laser, einer Linse, in deren Fokus das Meßvolumen angeordnet ist, einer die Streustrahlung aus dem Meßvolumen parallel richtenden Linse, mehreren dahinter angeordneten konzentrischen Ringblenden, den Ringspalten der letzten Ringblende zugeordneten, die Strahlungsintensität bei dem entsprechenden Streuwinke' aufnehmenden Detektoren und einer Auswertungseinrichtung, die Intensitätsverhältnisse bei zwei oder mehr Streuwinkelpaaren bildet, den Verhältniswert mit dem errechneten Verlauf des Intensitätsverhältnisses in Abhängigkeit von der Partikelgröße vergleicht und den Koinzidenzwert der Partikelgröße für alle Streuwinkelpaare feststellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die vom Meßvolumen (6) in Richtung zur Strahlenquelle (2) reflektierte Streustrahlung (5) aufnimmt und ein zylindrisches Gehäuse (1) aufweist, das axial von einem den Strahl (7) abschirmenden und die Ringblenden (13) axial durchgreifenden Rohr (12) durchsetzt und an seinem dem Meßvolumen (6) zugekehrten Ende von einer den Strahl (7) auf das Meßvolumen (6) fokussierenden und die reflektierte Streustrahlung parallel richtenden Linse (14) abgeschlossen ist, wobei die Detektoren (3, 4) der der Strahlenquelle nächstliegenden Ringblende zugeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gehäuse (1) an seinem der Strahlenquelle (2) zugekehrten Ende von der letzten Ringblende (13) abgeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) wenigstens vier Ringblenden (13) mit mindestens jeweils drei Ringspalten (15) hintereinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringblenden (13) von der Linse (14) aus mit zunehmendem Abstand voneinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspalte (15) der der Strahlenquelle (2) nächstliegenden Ringblende (13) über optische Lichtleiter (4) mit den Detektoren (3) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (3) um die Lichtquelle (2) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (14) an dem zylindrischen Gehäuse (1) auswechselbar angebracht ist.