CN105593662A - 用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备和方法。此外还提供一种用于确定流体中的颗粒的数量的方法以及制造按照本发明的设备的方法。用于确定流体中的颗粒的尺寸的方法具有具备激光吸收装置(10)的透镜光学系统(5)，激光吸收装置(10)吸收从激光光源(20)射出的激光束(22)，激光束(22)基本上无散射地穿过流体，其中，激光吸收装置(10)被第一透镜(41)和第二透镜(42)和第三透镜(43)围绕，其中，第一透镜(41)将散射的激光束(22)转向到第二透镜(42)和/或第三透镜(43)上，其中，第二透镜(42)将从第一透镜(41)射入第二透镜(42)的激光束(26)基本上转向到第一光电探测器(51)上，产生第一测量信号，其中，第三透镜(43)将从第一透镜(41)射入第三透镜(43)的激光束(26′)基本上转向到第二光电探测器(52)上，产生第二测量信号，并且分析装置(53)分析两个光电探测器(51、52)的测量信号，用于确定颗粒(30)的尺寸。
Description
本发明涉及一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备和方法。此外本发明还提供一种用于确定流体中的颗粒的数量的方法以及制造按照本发明的设备的制造方法。
颗粒的探测及其尺寸确定在很多技术工作中处于核心地位。例如流体中的颗粒在过滤器前后可以被探测并确定其大小，以便确定过滤器的效果。
在以激光为基础的颗粒探测中，激光射入流体中、例如液体但通常是气体或气体混合物如空气，该流体可以具有待探测的颗粒。激光可以在颗粒上被散射并且以一定的角度被接收。由此所产生的信号可以被测量并且由此例如推断出颗粒尺寸。
待探测的颗粒尺寸可以通过信噪比(SNR)限定。在较大的结构中可以实现复杂的光学系统，用于优化信噪比。在有利地尽可能小型化的应用中，采用备选的措施。例如可以使用镜子或较大面积的透镜，用于接收更大数量的被散射的激光。
在文献US5085500A中描述了一种以激光为基础的颗粒计数器，其接收被颗粒散射的光线，这些颗粒在流体中穿越一个测量段。为了接收光线，布置多个光电探测器，使得只有被散射的激光束可以射入这些光电探测器。为了产生具有适合特征的激光束，由光源产生的激光束穿过多个膜片。
本发明提供一种具有权利要求1的特征的设备、具有权利要求11的特征的方法、具有权利要求13的特征的方法以及具有权利要求14的特征的制造方法和具有权利要求15的特征的制造方法。
据此规定，一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，其具有：透镜光学系统，所述透镜光学系统具有：激光吸收装置，所述激光吸收装置吸收从激光光源射出的激光束，所述激光束基本上无散射地穿透流体，
其中，所述激光吸收装置被第一透镜和第二透镜和第三透镜围绕，
其中，所述第一透镜将从所述激光光源射出的、在流体中的颗粒上散射的激光束至少部分地转向到第二透镜和/或第三透镜上，
其中，所述第二透镜将来自所述第一透镜的射入所述第二透镜的激光束基本上转向到第一光电探测器上，所述第一光电探测器根据转向到第一光电探测器上的激光束产生第一测量信号，
其中，所述第三透镜将来自所述第一透镜的射入所述第三透镜的激光束基本上转向到第二光电探测器上，所述第二光电探测器根据转向到第二光电探测器上的激光束产生第二测量信号；
并且所述设备还具有分析装置，所述分析装置分析两个光电探测器的测量信号，用于确定颗粒的尺寸。
此外还规定，一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的方法，所述方法具有如下步骤：
激光束射入流体中；在流体中的颗粒上散射的激光束借助第一透镜至少部分被偏转到第二透镜和/或第三透镜；
来自所述第一透镜的射入所述第二透镜的激光束借助所述第二透镜被转向到第一光电探测器上；
来自所述第一透镜的射入所述第三透镜的激光束借助所述第三透镜被转向到第二光电探测器上；
借助所述第一光电探测器根据被转向到第一光电探测器上的激光束而产生第一测量信号；
借助所述第二光电探测器根据被转向到第二光电探测器上的激光束而产生第二测量信号；
分析两个光电探测器的测量信号，用于确定颗粒的尺寸。
此外还规定，一种用于确定流体中的颗粒的数量的方法，其中，在一个时间段内持续地实施按照本发明的用于确定流体中的颗粒的尺寸的方法；其中，在每次确定颗粒中的一个的尺寸时，如果相应所确定的该颗粒的尺寸超过了预设的最低值，则计数器加一；并且其中，在所述时间段之后，基于计数器和该时间段确定流体中的颗粒的数量。预设的最低值尤其也可以是零，也就是说，每个被确定尺寸的颗粒都会使计数器增加计数。
为此，流体的流动性或通量可以是已知的或者通过通量测量装置测量。还已知按照本发明的方法的测量效率，也就是说，平均有多少比例的实际存在于流体中的颗粒被所述方法测取。计数器可以基于测量效率进行修改，以便确定存在于流体中的颗粒的实际数量。通过通量、计数器和测量效率也可以推断出颗粒在流体中的浓度。
此外还规定一种制造透镜光学系统的方法，所述透镜光学系统应用于按照本发明的用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，所述方法具有如下步骤：在第一注塑步骤中注塑第一透镜；在第二注塑步骤中注塑第二透镜、第三透镜和激光吸收装置；和在所述激光吸收装置上组装所述第一透镜。
最后还规定一种制造透镜光学系统的方法，所述透镜光学系统应用于按照本发明的用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，所述方法具有如下步骤：在单一的注塑步骤中注塑第一透镜、第二透镜、第三透镜和激光吸收装置。
本发明所依据的知识在于，通过围绕中央射线阱安置多个不同的透镜可以实现特别紧凑且同时特别有效的透镜光学系统，其可以应用于用于确定颗粒尺寸的设备中。
根据第二和第三透镜的布置，激光束以不同的散射角度(也在一个且同一个颗粒上)被不同地转向到第一或第二光电探测器上。通过分别测量相应光电探测器上的光振幅或辐射功率，由此可以获得关于散射角分布的信息。例如，较小的颗粒与较大的颗粒相比可以导致多个具有较小角度的散射角，较大的颗粒则可以按比例地导致较多的具有较大角度的散射角。
借助两个角度信息、即分别来自各个光电探测器的角度信息实施的测量、也即对颗粒尺寸的确定，可以减小由于随机的激光反射产生的背景信号(噪声)。也就是说，信噪比可以更高。
通过借助注塑工艺制造一部分或整个透镜光学系统可以使透镜光学系统进一步小型化。此外，借助注塑工艺的制造是非常精确的，使得光学部件(例如透镜)的特性的波动以及安装不精度可以被最小化。这也可以省略装配步骤和人工校准步骤。
塑料、优选有机玻璃的注塑尤其可以明显减少制造成本并且对于制造速度是有利的。
由于紧凑且同时有效的实施方式，按照本发明的设备可以应用在不同的领域，如工业领域、基础建设行业，其中包括建筑技术、环境监控(如测量微尘和超细微尘)或车辆技术(测量过滤器效率)。
有利的实施方式和改进方案由从属权利要求和说明书参照附图给出。
根据按照本发明的设备的优选的改进方案，所述第二透镜部分围绕所述第三透镜。在此，“围绕”尤其理解为，第三透镜布置在第二透镜的缺口或孔中，或者导引穿过该孔。由此提供了一个横贯平面，在所述横贯平面中，剖切第三透镜的横截面完全地间接或直接地被剖切第二透镜的横截面围绕。由此，两个透镜特别节省空间地布置，由此该设备可以被更大程度地最小化。此外，当第二透镜对齐地围绕第三透镜时，也就是当第二透镜中的孔被第三透镜完全封闭时，这种布置方式是气密的。
根据另外优选的改进方案，所述第二透镜和第三透镜还围绕至少一个另外的透镜。还可以设有至少一个另外的光电探测器，射入所述至少一个另外的透镜的激光束被该透镜转向到所述至少一个另外的光电探测器上。如果设有更多的另外的透镜，则一个透镜可以分别围绕下一个具有更小外半径的透镜，从而形成一种可描述为“靶盘形状”的布置方式。对于所有第三透镜以外的另外的透镜可以设置另外的光电探测器，相应的透镜将激光束转向到该光电探测器上。
根据另外优选的改进方案，所述第一透镜可以设计为由第一菲涅尔透镜构成的同心的第一截取段。第一透镜可以使散射光、也就是散射的激光束均匀，也就是均匀地成像在第二和/或第三透镜上。所述第二透镜可以设计为由第二菲涅尔透镜构成的偏心的第二截取段。此外，所述第三透镜可以设计为由第三菲涅尔透镜构成的偏心的第三截取段。菲涅尔透镜可以较薄地简单制造，该菲涅尔透镜具有较高的、直径相对于焦距的比例，并且对于所有几何形状可简单地计算。
通过第二和第三透镜的偏心的部分，使得射到第二和第三透镜上的激光束同样偏心地被偏转(投射)到光电探测器上。
有利的是，偏心截取的第二透镜和被第二透镜围绕的偏心截取的第三透镜沿着射入的激光束的射线方向布置在同心截取的第一透镜的后面。这使得射入透镜光学系统的激光束的成像具有较低的像差，这种像差可以导致透镜光学系统的特别短的像距。由此，透镜光学系统可以保持非常紧凑，这促使设备可以小型化。
根据另外优选的改进方案，所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜中的两个或三个相互间是结构相同的。由此，几何的计算可以是非常简单的。此外可以降低制造成本，因为不需要提供更多的不同的例如用于注塑的菲涅尔结构模件。
多个透镜可以共焦点地定向，由此激光的随机反射的光、例如随机地在激光吸收装置上反射的光线在光电探测器上的成像可以被最小化。
根据另外优选的改进方案，在所述激光吸收装置上设计有固持装置，至少第一透镜和第二透镜与所述固持装置螺栓连接和/或粘接。备选地，第一透镜和第二透镜和/或激光吸收装置也可以直接相互粘接。
备选地，所述激光吸收装置的固持装置、所述激光吸收装置以及至少第二透镜和第三透镜设计为整体的构件。在两个变形方案中，所述透镜光学系统借助所述固持装置能够固定在所述设备内或上，并且能够从所述设备再次拆卸。由此，透镜光学系统可以在例如受污染或受损时被简单地且通过较低技术耗费地更换。第一、第二和第三透镜可以通过标记、例如凹槽或钻孔的方式相对于固持装置或者在固持装置上保持在紧固和已知的位置上。固持装置为此可以具有与对应物相应的凹槽或钻孔。
根据另外优选的改进方案，所述激光吸收装置具有射线阱(或者：射线收集器)，其具有朝激光光源的方向开口的空腔，穿过流体基本未散射的激光束进入所述空腔内。
根据另外优选的改进方案，所述设备还具有测量室，流体能够导引穿过所述测量室；探测器室，所述第一光电探测器和第二光电探测器设在所述探测器室内；和激光光源，所述激光光源产生激光束。所述激光束穿过所述测量室指向所述透镜光学系统的激光吸收装置。所述透镜光学系统安置在所述测量室和探测器室之间。激光光源可以具有激光生成装置、例如激光发光二极管(LED)，用于发射临时的激光束，并且具有激光光源透镜光学系统，例如用于将初始的激光束准直成有待散射的激光束。
根据另外优选的改进方案，所述第一透镜和激光吸收装置被流体地密封，使得流体从所述测量室不能进入所述探测器室。光学结构、尤其透镜光学系统由此是气密的。由此，没有必要或可以舍弃为了避免对设备的功能干扰性颗粒污染而设置围绕流体的由清洁的空气构成的外罩层(即所谓的“sheathair”)。
此外，探测器室、尤其光电探测器也可以由此针对污物或损伤受到保护。透镜光学系统的密封性使得可以对探测器室进行清洁步骤，以便在具有高颗粒浓度的测量后、例如在中断柴油发动机后对设备进行再次清洁。
所述第一透镜和激光吸收装置还被流体地密封，使得所述测量室具有均匀的流动性。由此可以在流体中避免涡流。
根据按照本本发明的方法的优选的改进方案，所述第一和第二测量信号包括关于被转向到光电探测器上的激光束的光振幅的信息。由此可以基于米氏理论分析测量信号，用于确定颗粒的尺寸。
米氏理论是对于在(任意大小的)球体上的平坦的电磁波的散射的麦克斯韦方程组的准确的求解方案。在此，射入的平坦的波和散射的电磁场通过发射的球面的波动函数被推导。在规则的球面的波动函数中推导内场。通过球面上的边界条件，可以计算出散射场的展开系数和由此在每个空间点中的散射的电磁场。
以下结合在附图中示出的实施例进一步阐述本发明。在附图中：
图1示出按照本发明的第一实施方式的用于确定流体中的颗粒大小的设备的剖面示意图；
图2示出第一菲涅尔透镜的正视示意图，用于说明根据第一实施方式的第一透镜的形状；
图3示出第二菲涅尔透镜的正视示意图，用于说明根据第一实施方式的第二透镜的形状；
图4示出第三菲涅尔透镜的正视示意图，用于说明根据第一实施方式的第三透镜的形状；
图5示出第二和第三透镜环的正视示意图，用于说明它们在根据第一实施方式的设备内的布置方式；
图6示出示出菲涅尔透镜的正视示意图，用于说明根据第二实施方式的用于确定流体中的颗粒大小的设备的透镜光学系统；
图7示出根据第二实施方式的用于确定流体中的颗粒大小的设备的激光吸收装置的斜视示意图；
图8示出流程示意图，用于阐述根据本发明的第二实施方式的用于确定流体中的颗粒大小的方法。
在所有附图中，相同或功能相同的部件和设备只要没有另行规定便标注相同的附图标记。
图1示出按照本发明的第一实施方式的用于确定流体中的颗粒大小的设备的剖面示意图。
根据第一实施方式，设备1具有测量室M和探测器室D，在它们之间布置有透镜光学系统5。流体可以被导引穿过测量室M，所述流体基本上垂直于图1的绘图平面运动穿过设备1的测量室M。在测量室M的与透镜装置5相对置的侧面WO上设有激光源20，所述激光源产生激光束22。激光源20如此布置，使得激光束22与流体接合，也就是说进入流体内。激光源20还指向透镜光学系统5，也就是说，所产生的激光束22的光束轴线S指向透镜光学系统5。
在激光束22的光束路径内在透镜光学系统5上设有激光吸收装置10。也就是说，基本无发散地横穿所述流体的激光束22射到激光吸收装置10上，在这里激光被吸收。根据第一实施方式，激光吸收装置10是光束阱(可简称“光阱”)，其具有指向激光源20的圆柱形的空腔12，未发散的激光束22射入所述空腔内并且在空腔内激光被吸收。为此，所述空腔12朝激光源20的方向具有开口。空腔12被包围在激光吸收装置10的基本圆柱形的部段19内。圆柱形的空腔12的旋转对称轴与圆柱形部段19的旋转对称轴和所产生的激光束22的光轴S是相同的。
固持装置16与光束阱10相连。固持装置16具有两个在横截面中呈T型的侧面部段18，所述侧面部段稳定地被导入设备1内部的两个相对置的壁W1、W2内的缺口中，并且由此被固定。例如当存在故障或者应进行清洁时，在去除盖子后(例如平行于绘图平面、未示出)并且通过在固持装置16上的沿垂直于图1的绘图平面的拉拽，可以将固持装置16从设备1中取出。
固持装置16的两个T型侧面部段中的至少一个T型侧面部段通过至少一个固持臂17与圆柱形部段19相连，其中，至少一个固持臂17从圆柱形部段19上沿径向延伸。
在透镜光学系统5的朝向测量室M和激光源20的侧面上，圆柱形部段19被第一透镜41围绕。根据第一实施方式，第一透镜41被设计为第一透镜环41。第一透镜环41的内半径r1尺寸与圆柱形部段19的半径相等，使得第一透镜环41平齐地围绕圆柱形部段19。
第一透镜环41的外半径R1被固持装置16内的圆形凹槽的边缘15包围。形状配合地通过在圆柱形部段19的朝向测量室M的一侧的锥台形状的加厚部11，防止了第一透镜环41朝测量室M的方向的可能的移动。锥台形的加厚部11朝向激光源20的方向变细，并且围绕空腔12的开口。根据一个实施方式，在第一透镜环41安装到圆柱形部段19上之后，在激光吸收装置10的圆柱形部段19上安装、例如粘接加厚部11。
根据第一实施方式，第一透镜环41是被穿孔的菲涅尔透镜F1，参见图2。第一透镜环41的光滑侧41g朝向激光源20以及测量室M，同时第一透镜环41的根据菲涅尔方法构造的侧面朝向探测器室D的方向。也就是说，第一透镜环41位于激光束22的前向散射方向。
第一透镜环41和激光吸收装置10如此流体技术上地密封，使得来自测量室M的流体不会进入探测器室D内，也就是说，它们被气密地密封。为此，第一透镜41和固持装置16的T型侧面部段18之间的面通过固持装置16的薄板被封闭，所述薄板具有圆形的缺口，所述缺口的内边缘是边缘15。此外，第一透镜环41和激光吸收装置10如此流体技术上密封，使得测量室M具有均匀的、也就是具有层流的流体学特性。为了流体技术上的密封，在第一透镜环41和激光吸收装置10之间的接合处涂覆胶粘剂13。
在激光吸收装置10的圆柱形部段19的朝向探测器室D的一端上设有第二透镜42和第三透镜43。根据第一实施方式，第二透镜42是第二透镜环42，并且第三透镜是第三透镜环43。第三透镜环43平齐地围绕圆柱形部段19，也就是说，第三透镜环43的内半径r3等于圆柱形部段19的半径。具有内半径r3的第三透镜环43的内部中的圆形孔的旋转对称轴线S3同时也是圆柱形部段19的旋转对称轴线。
第三透镜环43被第二透镜环42围绕。尤其第三透镜环43被第二透镜环42沿径向围绕并且可以与之粘接。根据第一实施方式，第三透镜环43的外半径R3等于第二透镜环42的内半径r2。具有内半径r2的第二透镜环42内的圆形孔的旋转对称轴线与圆柱形部段19的旋转对称轴线是一致的。
第二透镜环42的光滑的表面42g和第三透镜环43的光滑的表面43g处于同一面上且朝向探测器室D。在第二透镜环42的背离光滑表面42g的表面42s上，设有菲涅尔结构。这将在以下参照图3进一步说明。在第三透镜环43的背离光滑表面43g的表面43s上，同样设计有菲涅尔结构。第三透镜环43的菲涅尔结构将在以下参照图4进一步说明。
为了避免第二和第三透镜环42、43朝探测器室D的方向运动，在圆柱形部段19的朝向探测器室D的一端上，贴靠第三透镜环43的光滑表面43g地设计有圆柱形部段19的螺母形状的加宽部14。在第二透镜环42围绕圆柱形部段19布置之后，加宽部14根据一个实施方式可以与圆柱形部段19相连、例如粘接。
可以通过固持臂17阻止第二和第三透镜环42、43朝第一透镜环41的方向的移动，或沿相反反向的移动。固持臂17使透镜环41、42、43的根据菲涅尔方法构造的表面41s、42s、43s相互分离、也即相互保持间隔。固持臂17有利地沿圆柱形部段19的轴向尤其较薄地设计。也就是说，透镜环41、42、43的根据菲涅尔方法构造的表面41s、42s、43s有利地相互间特别地靠近。在一些实施方式中，没有设计固持臂17，其中，表面42s、43s也可以直接贴靠表面41s，只要由此不损害相应的菲涅尔结构T即可。
有利的是，固持臂17也沿圆柱形部段19的切向方向特别窄地构造。由此，被第一透镜环41偏转的激光束26、26′只有很小一部分射在固持臂17上，而不朝第二和第三透镜环42、43的方向偏转。换句话说有利的是，在测量室M和探测器室D之间尽可能小的面区段被固持臂17遮盖。
第一、第二和第三透镜环41、42、43和/或具有固持装置16的激光吸收装置10可以由不同的材料制成。有利的是，它们由相同的材料制造。这种材料例如可以是塑料。由PMMA(有机玻璃)构成的制成品使得各个部件针对不同的化学物质具有较高的稳定性。
整个透镜光学系统5可以通过单一的注塑步骤制造，例如通过塑料的注塑。通过让透镜光学系统5的所有的部件使用相同的材料，可以减低由于应力(例如通过受热产生的应力)而造成的问题。此外如果透镜光学系统5发生损坏或被较强地污染，则也可以通过沿着垂直于图1的绘图平面的方向的拉和/或推，轻松且舒适地更换透镜光学系统5。
当把透镜光学系统5制造成按照注塑技术/成型技术或快速成形技术的部件，则可以可选地省去固持臂17，因为第一、第二和第三透镜环41、42、43可以通过激光吸收装置10的其它区域被紧固地且一体地相互连接。除了第一透镜环41，透镜光学系统5的所有部件都可以在一个成型步骤、例如注塑步骤中被一体地制造，其中，第一透镜环41可以随后例如通过定向的凹槽被对准和组装。这有利的是，第一、第二和/或第三透镜环41、42、43被成型为非球面的菲涅尔透镜的一部分。
此外根据第一实施方式，在探测器室D的内壁W3上构造有第一光电探测器51和第二光电探测器52。探测器室D的内壁W3朝向透镜光学系统5以及位于透镜光学系统后面的光源20。第一和第二光电探测器51、52以与激光吸收装置10的圆柱形部段19的旋转对称轴线相同的径向间距构造，该旋转对称轴线同时也相当于非散射激光22的光束轴线S。
光电探测器51、52例如可以是雪崩光电二极管。光电探测器51、52设计用于测量光振幅，也就是照射到光电探测器上的激光束28、28′的辐射功率。根据测量到的光振幅，第一光电探测器51产生第一测量信号并且第二光电探测器52产生第二测量信号。
两个光电探测器51、52与分析装置53相连，该分析装置分析评估两个光电探测器51、52的测量信号。为此，在分析装置53内设计有数据库，该数据库包含参考模型和/或评判标准，借此测量信号可以被分类。根据分类，造成相应测量信号的颗粒可以根据尺寸等级被划分。例如，造成处于第一和第二数值之间的光振幅特性的颗粒可以被划分为第一尺寸等级，并且造成处于第二和第三数值之间的光振幅特性的颗粒可以被划分为第二尺寸等级并以此类推。
就此例如可以形成被测量的光振幅的特征关系。不同大小的颗粒导致不同的光振幅特性。
根据所谓的米氏(Mie)理论，可以由这种特性推断出颗粒的大小，激光束在该颗粒上散射。
此外在图1中，例如示出两个示例性的光路。当设备1运行时，射入颗粒30的激光束22产生多条散射的激光束24、24′，它们可以以相对于所产生的激光束22的原始辐射方向不同的角度辐射到第一透镜环41上。
散射的激光束24射入第一透镜环41的光滑的表面41g并且被偏转。以这种方式被偏转的激光束26转向到第二透镜环42上，激光束26从第二透镜环被再次偏转。这再次偏转的激光束28转向到第一光电探测器51上，在此激光束28与其它所有射入第一光电探测器51的激光束28一同被测量。
另外散射的激光束24′射入第一透镜环41，使得其作为被偏转的激光束26′转向到第三透镜环43。第三透镜环43使得被偏转的激光束26′作为被再次偏转的激光束28′转向到第二光电探测器52上，在此激光束28′与其它所有射入第二光电探测器52的激光束28′一同被测量。
在颗粒30上散射的激光束可以被划分为四个类别，分别根据它们以相对于光束轴线S多大的角度偏转。如果激光束完全没有或者仅微小地偏转，则该激光束射入激光吸收装置10。如果激光束以较大的角度被偏转，则该激光束最终大多数转向到第二光电探测器52。如果激光束以更大的角度偏转，则该激光束最终大多数转向到第一光电探测器51。如果激光束以还大的角度、例如90°或更大角度偏转，则该激光束不会射入透镜光学系统5，而是例如射入测量室M的内壁W1、W2。
图1示例性示出的激光束22、24、24′、26、26′、28、28′一部分并未直接位于图1的横截面中，而是布置在图1的绘图平面之上，使得它们从固持臂17旁经过。
分析装置53还可以与控制装置相连。控制装置例如可以根据分析装置53的结果控制流体的流动。例如在超过或低于确定的极值时，增强或减弱穿过测量室M的流体的流动，例如通过开启或关闭为此而设的阀门。控制装置由此可以用于产生具有基本上恒定的单位时间颗粒数量30的流体流。
分析装置53也可以与记录装置相连，该记录装置可以系统性地记录和存储分析装置53的结果。
图2示出第一菲涅尔透镜F1的正视示意图，用于说明根据第一实施方式的第一透镜的形状。
图2尤其示出第一菲涅尔透镜F1的正式示意图，其具有多个菲涅尔结构T。第一菲涅尔透镜F1是围绕第一光学轴向OA1旋转对称的。根据本发明的第一实施方式的第一透镜41如此成型，使得好像从第一菲涅尔透镜F1上同中心地截去一个圆盘。“同中心”理解为被截去的圆盘的旋转对称轴线S1与未处理部分的第一菲涅尔透镜F1的光学轴线OA1是一致的。第一透镜环41由此具有内半径r1，其等于被截去的圆盘的半径。第一透镜环41的外形、尤其外半径R1等于第一菲涅尔透镜F1的外形、尤其半径。
图3示出第二菲涅尔透镜的正视示意图，用于说明根据第一实施方式的第一透镜42的形状。
根据第一实施方式如此设计第二透镜42，使得第二透镜好像由第二菲涅尔透镜F2制成的一个偏心的环形的截取段。“偏心”在此理解为，第二透镜环42的圆形孔的旋转对称轴线相对于第二菲涅尔透镜F2的光学轴线OA2平行地错位。根据第一实施方式，第二菲涅尔透镜F2与第一菲涅尔透镜F1结构相同，并且由此同样是围绕其光学轴线OA2旋转对称的。由此，偏心地截取的第二透镜环42基于所设计的菲涅尔结构T不是旋转对称的，因为其不具有旋转对称的表面。第二透镜环42的内半径r2小于第二透镜环的外半径R2，该外半径R2也同样小于第二菲涅尔透镜F2的半径。
图4示出第三菲涅尔透镜的正视示意图，用于说明根据第一实施方式的第三透镜43的形状。
根据第一实施方式，第三透镜环43成型为，好像其是由第三菲涅尔透镜F3制成的一个偏心的环形的截取段。第三菲涅尔透镜F3围绕其光学轴线OA3旋转对称并且与第一和第二菲涅尔透镜F1、F2也是结构相同的。如果第二透镜环42根据其在第二菲涅尔透镜F2内的位置投影到第三菲涅尔透镜F3上，第三透镜环43内部的圆形孔的旋转对称轴线相对于第三菲涅尔透镜F3的光学轴线OA3平行地错位，并且还相对于第二透镜环42内部的圆形孔的旋转对称轴线S2平行地错位。
尤其根据第一实施方式，第二旋转对称轴线S2和第三旋转对称轴线S3相对于第二和第三菲涅尔透镜F2、F3的光学轴线OA2、OA3彼此朝相反的方向错移。假如光学轴线OA2、OA3例如在笛卡尔坐标系的原点上定位，则第二旋转对称轴线S2大约朝x负半轴平行错移，而第三旋转对称轴线S3朝x正半轴平行错移。
备选地也可以设想，第二和第三旋转轴线S2、S3与作为顶点的光学轴线OA2、OA3形成不同于180°的角度。特别有利的是，该角度在90°至270°之间、尤其在135°至225°之间。从菲涅尔透镜F2、F3的截取段的位置可以基于探测器室D内的光电探测器51、52的布置方式，因为除了菲涅尔结构T以外，第二和第三透镜环42、43的偏心性也共同决定了投射到相应透镜环42、43上的激光束以多大的程度被偏转。
根据第一实施方式，第三透镜环43内部的圆形孔的内半径r3小于第三透镜环43的外半径R3，该外半径R3还进一步小于第三菲涅尔透镜F3的半径。此外，第三透镜环43的外半径R3基本与第二透镜环42的内半径r2相同。
图5示出第二和第三透镜环42、43的正视示意图，用于说明其根据第一实施方式在设备中的布置方式。
图5示出，根据第一实施方式第二透镜环42对齐地围绕第三透镜环43。第三透镜环43则位于第二透镜环42的内部的圆形孔内。第二旋转对称轴向S2正好位于第三旋转对称轴线S3上。第一、第二和/或第三透镜环41、42、43也可以被设计为椭圆形。在前述说明书中，旋转对称轴线S2、S3适合地通过在第二和第三透镜环42、43内部的椭圆形孔的几何重心上的垂线替代。即便在椭圆形或蛋形的透镜环41、42、43中，第三透镜环43的外圆周也对齐地贴靠在第二透镜环42的内圆周上。固持装置16也仅需要稍稍的改动。
根据前面的图2、3、4、5说明了透镜环41、42、43的形状。尤其应理解的是，相应的透镜环41、42、43不必要实际中实体上从菲涅尔透镜F1、F2、F3上截取。取而代之的是，透镜环41、42、43可以有利地通过注塑工艺制造。
如果有两个或多个透镜环41、42、43相互固定连接，则他们可以在同一个注塑步骤中制造。尤其可以是图5所示的布置方式，其中，对齐地围绕第三透镜环43的第二透镜环42以单一的模具在单一的注塑步骤中制造。第二和第三透镜环42、43的区分在这种情况下则仅用于说明和理解，而不是实际中实体上的分离的部件。
图6示出菲涅尔透镜的正视示意图，用于说明根据本发明的第二实施方式的用于确定颗粒尺寸的设备的光学透镜系统。
第二实施方式是第一实施方式的变形方案并且与第一实施方式的区别基本在于透镜光学系统的结构设计。
根据第二实施方式，第一菲涅尔透镜F1′具有矩形的、尤其正方形的外形。此外，在第一菲涅尔透镜F1′的两个相对于第一菲涅尔透镜F1′的光学轴线OA1′对角地相互对置的角部分别设计有孔B1。这些孔B1垂直于第一菲涅尔透镜F1′延伸，也就是平行于光学轴线OA1′。
如在第一实施方式中，第一透镜41如此设计，好像从第一菲涅尔透镜F1′上同中心地截去一个圆盘。由此第一透镜环也具有直角的、尤其四边形的外形和两个相对于截去的圆盘位于对角位置的孔B1。
此外根据第二实施方式，第二和第三透镜分别偏心地从菲涅尔透镜上截取，这些菲涅尔透镜与第一菲涅尔透镜F1′结构相同，类似于如图3和图4所述的。由此，第二透镜也具有直角的、尤其四边形的外形和两个相对于截去的圆盘位于对角位置的孔B1。
第三透镜根据第二实施方式基板上与根据第一实施方式的第三透镜43相同，因为菲涅尔透镜的外形不影响第三透镜。
图7示出根据第二实施方式的用于确定颗粒尺寸的设备1的透镜光学系统5的激光吸收装置10的斜视示意图。
根据第二实施方式，构造在激光吸收装置10上的固持装置16′具有H形的截面，其通过两个T形侧面部段18沿垂直边的相互邻接而构成相应的“T′”型。固持装置16′沿着方向R可以移入设备1的其余部分，如图1所述的。在此，在相对置的壁W1、W2内的正方形的缺口对齐地围绕T形侧面部段18。
在T形侧面部段18之间(相当于在H形横截面中的“H”的横边)设计有薄板P。在薄板P内具有圆形的开口F，该孔的旋转对称轴线位于两个T形侧面部段之间的中心上。开口F的旋转对称轴线优选同时也是圆柱形部段19的旋转对称轴线。两个固持臂17共面地布置，与薄板P是相同厚度的并且从开口F的对置的边缘区段分别延伸至圆柱形部段19。
在薄板P的彼此对角的角部中设有孔B2，这些孔与第一菲涅尔透镜F1′中的孔B1的直径相同。在图7中，激光吸收装置的锥台形的加厚部11以及螺母形状的加宽部14出于简明原因没有示出。它们可以可选地设置。
根据第二实施方式，第三透镜被第二透镜围绕，如图5所示的根据第一实施方式的第二和第三透镜环42、43。第一透镜从垂直于薄板P的方向V朝薄板P贴靠，使得孔B1和B2分别地相互对齐贴靠。从反向于方向V的方向H，第二透镜和第三透镜贴靠在薄板P上，使得孔B1和B2分别相互对齐地贴靠。第一透镜、第二透镜和位于其间的薄板P通过对齐的贯穿的孔B1、B2、B1相互连接、例如螺栓连接。
图8示出根据本发明的另外的方面的用于确定流体中的颗粒的尺寸的方法的流程示意图。
在第一方法步骤S01中，激光束22射入流体中。
在步骤S02中，在流体中的颗粒30上散射的激光束24借助透镜41至少部分转向到第二透镜42和/或第三透镜43。“至少部分地”尤其理解为，不是所有在流体的颗粒30上散射的激光束20都必须射入第一透镜41。
在步骤S03中，从第一透镜41开始射入第二透镜42的激光束26借助第二透镜42基本上朝第一光电探测器51的方向转向。此外，在步骤S04中，从第一透镜41开始射入第三透镜43的激光束26′借助第三透镜43朝第二光电探测器52的方向被转向。
在步骤S05中，借助第一光电探测器51根据转到其上的激光束28产生第一测量信号。
在步骤S06中，借助第二光电探测器52根据转到其上的激光束28′产生第二测量信号。
所产生的测量信号在步骤S07中为了确定颗粒30的尺寸被分析，如上所述尤其参照图1进一步说明。
尽管本发明依据优选的实施例进行了说明，但是其不仅限于此，而是可修改为多种类型和方式。本发明尤其以各种方式被改变和修改，只要没有偏离本发明的核心。
例如还可以使用第四透镜或更多另外的透镜，其中，第二透镜围绕第三透镜，第三透镜围绕第四透镜并以此类推。第四透镜和更多另外的透镜也可以是菲涅尔透镜的偏心的部段。但是，第一、第二、第三、第四和更多另外的透镜中的一些或所有也可以是菲涅尔透镜或其它透镜类型的偏心或同心的截取段。
也可以相应地设置多个光电探测器，其中，第四透镜将激光束转向到第三光电探测器上，第五透镜将激光束转向到第四光电探测器上并以此类推。
Claims (15)
1.一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，其具有：
透镜光学系统(5)，所述透镜光学系统(5)具有：
激光吸收装置(10)，所述激光吸收装置(10)吸收从激光光源(20)射出的、基本上无散射地穿过流体的激光束(22)，
其中，所述激光吸收装置(10)被第一透镜(41)和第二透镜(42)和第三透镜(43)围绕，
其中，所述第一透镜(41)将从所述激光光源(20)射出的、在流体中的颗粒(30)上散射的激光束(22)至少部分地转向到第二透镜(42)和/或第三透镜(43)上，
其中，所述第二透镜(41)将从所述第一透镜(41)射入所述第二透镜(42)的激光束(26)基本上转向到第一光电探测器(51)上，所述第一光电探测器(51)根据转向到第一光电探测器(51)上的激光束(28)产生第一测量信号，
其中，所述第三透镜(43)将从所述第一透镜(41)射入所述第三透镜(43)的激光束(26′)基本上转向到第二光电探测器(52)上，所述第二光电探测器(52)根据转向到第二光电探测器(52)上的激光束(28′)产生第二测量信号；
并且所述设备还具有分析装置(53)，所述分析装置(53)分析两个光电探测器(51、52)的测量信号，用于确定颗粒(30)的尺寸。
2.按照权利要求1所述的设备，其中，所述第二透镜(42)部分围绕所述第三透镜(43)。
3.按照权利要求2所述的设备，其中，所述第二透镜(42)和第三透镜(43)还围绕至少一个另外的透镜，并且其中，设有至少一个另外的光电探测器，所述至少一个另外的透镜将射入该透镜的激光束转向到所述至少一个另外的光电探测器上。
4.按照权利要求1至3之一所述的设备，其中，所述第一透镜(41)设计为由第一菲涅尔透镜(F1；F1′)制成的同心的第一截取段，和/或所述第二透镜(42)设计为由第二菲涅尔透镜(F2)制成的偏心的第二截取段，和/或所述第三透镜(43)设计为由第三菲涅尔透镜(F3)制成的偏心的第三截取段。
5.按照权利要求4所述的设备，其中，所述第一菲涅尔透镜(F1；F1′)、第二菲涅尔透镜(F2)和第三菲涅尔透镜(F3)中的两个或三个相互间是结构相同的。
6.按照权利要求1至5之一所述的设备，其中，在所述激光吸收装置(10)上设计有固持装置(16；16′)，至少第一透镜(41)和第二透镜(42)与所述固持装置(16；16′)螺栓连接和/或粘接，并且其中，所述透镜光学系统(5)借助所述固持装置(16；16′)能够固定在所述设备(1)内或上，并且能够从所述设备(1)再次拆卸。
7.按照权利要求1至5之一所述的设备，其中，所述激光吸收装置(10)的固持装置(16；16′)、所述激光吸收装置(10)以及至少第二透镜(42)和第三透镜(43)设计为整体的构件，并且其中，所述透镜光学系统(5)借助所述固持装置(16；16′)能够固定在所述设备(1)内或上，并且能够从所述设备(1)再次拆卸。
8.按照权利要求1至7之一所述的设备，其中，所述激光吸收装置(10)具有射线阱，所述射线阱具有朝激光光源(20)的方向开口的空腔(12)，基本无散射地穿过流体的激光束(22)进入所述空腔(12)内。
9.按照权利要求1至7之一所述的设备，其中，所述设备还具有
测量室(M)，流体能够导引穿过所述测量室(M)；
探测器室(D)，所述第一光电探测器(51)和第二光电探测器(52)设在所述探测器室(D)内；和
激光光源(20)，所述激光光源(20)产生激光束(22)，其中，所述激光束(22)穿过所述测量室(M)地指向所述透镜光学系统(5)的激光吸收装置(10)，
其中，所述透镜光学系统(5)安置在所述测量室(M)和探测器室(D)之间。
10.按照权利要求9所述的设备，其中，所述第一透镜(41)和激光吸收装置(10)在流体技术上地密封，使得流体从所述测量室(M)不能进入所述探测器室(D)；并且其中，所述第一透镜(41)和激光吸收装置(10)还在流体技术上地密封，使得所述测量室(M)具有均匀的流体学特性。
11.一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的方法，所述方法具有如下步骤：
激光束(22)射入(S01)流体中；
在流体中的颗粒(30)上散射的激光束(24)借助第一透镜(41)至少部分被偏转(S02)到第二透镜(42)和/或第三透镜(43)；
从所述第一透镜(41)射入所述第二透镜(42)的激光束(26)借助所述第二透镜(42)转向(S03)到第一光电探测器(51)上；
从所述第一透镜(41)射入所述第三透镜(43)的激光束(26′)借助所述第三透镜(43)转向(S04)到第二光电探测器(52)上；
借助所述第一光电探测器(51)根据被转向到第一光电探测器(51)上的激光束(28)产生(S05)第一测量信号；
借助所述第二光电探测器(52)根据被转向到第二光电探测器(52)上的激光束(28′)产生(S06)第二测量信号；
分析(S07)两个光电探测器(51、52)的测量信号，用于确定颗粒(30)的尺寸。
12.按照权利要求11所述的方法，其中，所述第一和第二测量信号包括关于被转向到光电探测器(51、52)上的激光束(28、28′)的光振幅的信息；并且其中，基于米氏理论分析(S07)测量信号，用于确定颗粒(30)的尺寸。
13.一种用于确定流体中的颗粒的数量的方法，
其中，在一个时间段内持续地实施根据权利要求11或12所述的用于确定流体中的颗粒(30)的尺寸的方法；
其中，在每次确定颗粒(30)中的一个的尺寸时，如果相应所确定的该颗粒的尺寸超过了预设的最低值，则计数器加一；
并且其中，在所述时间段之后，基于计数器和该时间段确定流体中的颗粒的数量。
14.一种制造透镜光学系统的方法，所述透镜光学系统应用于按照权利要求1至10之一所述的用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，所述方法具有如下步骤：
在第一注塑步骤中，注塑第一透镜；
在第二注塑步骤中，注塑第二透镜、第三透镜和激光吸收装置；和
在所述激光吸收装置上组装所述第一透镜。
15.一种制造透镜光学系统的方法，所述透镜光学系统应用于按照权利要求1至10之一所述的用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，所述方法具有如下步骤：
在单一的注塑步骤中，注塑第一透镜、第二透镜、第三透镜和激光吸收装置。
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