DE10164270A1

DE10164270A1 - Optical assembly to measure size, size distribution and concentration of particles in dispersion through spherical lens, comprises light source and probe window with high refractive index

Info

Publication number: DE10164270A1
Application number: DE2001164270
Authority: DE
Inventors: Karsten Reitz
Original assignee: HAW INGENIEURE MBH
Current assignee: HINZE, FRANK, 01097 DRESDEN, DE
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-10

Abstract

An optical assembly measures the size, size distribution and concentration of particles in a dispersion. The assembly has a light source and a probe window with a high refractive index focusing the laser light beam. The window is a spherical lens, flat lens, bi-convex lens, rod lens, bi-convex cylindrical lens or gradient index lens. Preferred Features: The light is focused through a window with one face in contact with a fluid. The focal point is close to the window phase boundary. The instrument further has a detector measuring scattered light and its conversion into signals in proportion to the quantity of light scattered. The assembly further has a housing between the sensor window, lens, detector and/or light source, and a signal processing unit which evaluates the time profile of particle signals received. During the measuring process the focal point is moved along the optical axis, varying the distance between the light beam focal point and the window. The sensor window is one of two focusing lenses.

Description

1 technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Messung der Größe, Größenverteilung und Konzentration von Partikeln in Dispersionen gemäß den Ansprüchen 1-7. The present invention relates to a device for optical measurement of the size, Size distribution and concentration of particles in dispersions according to claims 1-7.

2 State of the art

Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Messung von Partikeln auf der Grundlage von Rückstreuung oder Reflexion von Licht bekannt. Unter diesen Vorrichtung befinden sich eine Reihe von Vorrichtungen, die die Reflexionsmessungen mit Hilfe von fokussierten Lichtstrahlen vornehmen. Häufig werden wegen der besseren Fokussierbarkeit Laser als Lichtquellen verwendet. Da diese Vorrichtungen überwiegend zur Messung von Partikeln in konzentrierten Dispersionen eingesetzt werden, wird der Fokuspunkt des Lichtstrahles meist in die unmittelbare Nähe des Sensorfensters positioniert. Dadurch ist die Extinktion des Lichtes in der Dispersion gering und die optischen Signale können nahezu ungedämpft empfangen werden. There are various devices for measuring particles based on Backscatter or reflection of light is known. Among these devices are one Series of devices that do the reflection measurements using focused light beams make. Because of the better focusability, lasers are often used as light sources used. Because these devices are mainly used for measuring particles in concentrated Dispersions are used, the focus point of the light beam is mostly in the immediate Positioned near the sensor window. This is the absorbance of the light in the dispersion low and the optical signals can be received almost undamped.

Gegenüber Rückstreufotometern hat die Verwendung eines fokussierten Lichtstrahles zur Messung den Vorteil, das neben dem fotometrischen Trübungssignal auch zeitliche Signalschwankungen messtechnisch ausgewertet werden können. Es sind Vorrichtungen bekannt, die mit bewegten Lichtstrahlen arbeiten, die den Laserfokus am Sondenfenster auf einer kreisförmigen Bahn oder einer linearen Oszillation verschieben, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit schnell gegenüber der Geschwindigkeit der Partikel ist. Der Aufbau der Sonden besteht häufig aus einem röhrenförmigen Sensorkopf an dessen Ende ein optisches Fenster eingearbeitet ist. Das Licht zur Beleuchtung sowie das von den Partikeln rückgestreute Licht kann mit Hilfe von Lichtleitern oder über ein starres optisches System von der Lichtquelle kommen bzw. zum Photodetektor gelangen, die häufig im hinteren Teil der Sonde angeordnet sind. Compared to backscatter photometers, the use of a focused light beam Measurement the advantage that in addition to the photometric turbidity signal also temporal Signal fluctuations can be evaluated using measurement technology. They are devices known that work with moving light beams that the laser focus on the probe window a circular path or a linear oscillation, the Movement speed is fast compared to the speed of the particles. The structure the probes often consist of a tubular sensor head at the end of which is an optical one Window is incorporated. The light for lighting and the backscattered particles Light can be obtained from the light source with the help of light guides or via a rigid optical system come or get to the photodetector, which are often arranged in the rear part of the probe are.

In den Patentschriften US 3858851 und GB 2243681 A sind Vorrichtungen beschrieben, die Messungen mit auf einer Kreisbahn rotierendem Laserfokus durchführen. Die Messung wird dabei an einem planparallelen Sondenfenster vorgenommen. Eine andere Vorrichtung für die Reflexionsmessung an Partikeln ist aus der Patentschrift DE 197 23 999 A1 bekannt. Hier wird als Sensorfenster eine keilförmige Saphirplatte verwendet, um den Abstand des Laserfokuspunktes vom Sondenfenster während der Rotationsbewegung kontinuierlich zu variieren und so immer einen Bereich optimaler Signalpegel zu erhalten. Bei den genannten Vorrichtungen wird die Fokussierung des Lichtstrahles durch eine Optik vorgenommen, die sich zwischen der Lichtquelle und dem Sondenfenster befinden. Die Sondenfenster müssen im gesamten Bereich der Laserstrahlbewegung und der optischen Signalerfassung mit einer hohen Probenaustauschrate überströmt werden, um repräsentative Messwerte zu erhalten. Die zu überströmende Fläche beträgt hierbei oft mehrere Quadratzentimeter. Bei höher konzentrierten Dispersionen kann in der Praxis die Schwierigkeit auftreten, dass insbesondere beim Vorhandensein einer geringen Fließgrenze oder einer hohen Viskosität der Dispersion der Probenaustausch nicht mehr gewährleistet ist. In the patents US 3858851 and GB 2243681 A devices are described which Perform measurements with the laser focus rotating on a circular path. The measurement will made on a plane-parallel probe window. Another device for that Reflection measurement on particles is known from the patent DE 197 23 999 A1. Here is considered Sensor window uses a wedge-shaped sapphire plate to measure the distance of the laser focus point to vary continuously from the probe window during the rotational movement and so always to get a range of optimal signal levels. In the devices mentioned, the Focusing of the light beam is made by optics that are located between the Light source and the probe window. The probe windows must be in the entire area the laser beam movement and the optical signal detection with a high Sample exchange rate are overflowed to obtain representative measured values. The too overflowing area is often several square centimeters. At more concentrated In practice, dispersions may experience the difficulty that in particular when Presence of a low yield point or a high viscosity of the dispersion of the Sample exchange is no longer guaranteed.

4 advantage of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von Partikeln auf der Grundlage von Rückstreumessungen mit fokussiertem Lichtstrahl anzugeben, bei der die Optik zur Fokussierung des Lichtstrahles gleichzeitig als Sondenfenster eingesetzt wird. Weiterhin soll mit der Erfindung auch bei hohen Partikelkonzentrationen eine verbesserter Austausch der Partikel am Sondenfenster im Bereich des Laserfokus erreicht werden. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-7 gelöst. It is an object of the invention to provide a device for measuring particles based on Specify backscatter measurements with a focused light beam using the optics to focus of the light beam is also used as a probe window. Furthermore, with the invention an improved exchange of particles even at high particle concentrations Probe window can be reached in the area of the laser focus. This task is done with a Device according to claims 1-7 solved.

5 Description of the invention

Erfindungsgemäß wird zur Fokussierung des Lichtes eine hochbrechende Linse mit sehr kurzer Brennweite, z. B. eine Kugellinse wie in Bild 1 gezeigt, eingesetzt. Aufgrund des kurzen Abstandes des Fokuspunktes von der Linsenoberfläche, kann die Linse sowohl zur Fokussierung als auch als optisches Sondenfenster eingesetzt werden. Durch die doppelte Funktion hochbrechenden Linse ergeben sich für die Sondenkonstruktion und für das Betriebsverhalten der Sonde mehrere Vorteile. According to the invention, a highly refractive lens with a very short focal length, e.g. For example, a ball lens as shown in Figure 1 is used. Due to the short distance between the focal point and the lens surface, the lens can be used both for focusing and as an optical probe window. The double function of the high-refractive lens results in several advantages for the probe construction and for the operating behavior of the probe.

Das Bild 1 zeigt den entsprechenden Aufbau einer Sonde mit einer Kugellinse. Im Sondengrundkörper (5) ist die Kugellinse (1) eingefasst. Die Lichtstrahlen (4) werden durch die Linse auf den Fokusspunkt (2), der sich in unmittelbarer Nähe der Oberfläche ist gebündelt. Die Partikel (3) streuen beim Durchtritt durch den Fokuspunkt das Licht. Das gestreute Licht wird durch die Kugellinse wieder gesammelt und auf einen Detektor gesendet. Figure 1 shows the corresponding structure of a probe with a spherical lens. The spherical lens ( 1 ) is enclosed in the probe body ( 5 ). The light rays ( 4 ) are focused by the lens on the focus point ( 2 ), which is in the immediate vicinity of the surface. The particles ( 3 ) scatter the light as they pass through the focus point. The scattered light is collected again by the spherical lens and sent to a detector.

Aufgrund der kurzen Brennweite der hochbrechenden Linse ist es möglich, einen Fokuspunkt mit minimalem Durchmesser direkt vor der Linse zu erzeugen. Durch den sehr klein realisierbaren Durchmesser des Fokuspunktes können auch Rückstreusignale von Partikeln detektierbar, die bei herkömmlichen Anordnungen aufgrund ihrer geringen Größe unter die Nachweisgrenze fallen. Die verbesserte Detektierbarkeit von sehr kleinen Partikeln wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich begünstigt, da der störende Einfluss von Reflexionserscheinungen durch die geringere Anzahl an optischen Bauteilen im Strahlgang verringert wird und somit zu einem verbesserten Signal/Rausch Verhältnis beiträgt. Due to the short focal length of the high refractive lens, it is possible to use a focus point minimum diameter directly in front of the lens. Through the very small realizable Diameter of the focal point can also detect backscatter signals from particles that in conventional arrangements due to their small size fall below the detection limit. The improved detectability of very small particles is in the invention Device also favors because of the disturbing influence of reflection the smaller number of optical components in the beam path is reduced and thus becomes one improves signal / noise ratio.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ergibt sich hinsichtlich des Betriebsverhaltens der Sonde. Um repräsentative Informationen über die Partikel zu erhalten müssen die Partikel im Fokuspunkt des Lichtstrahles ständig ausgetauscht werden. Ruhende Fluide oder sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten können aufgrund des geringen Partikelaustausches und der geringen Anzahl der beobachtbaren Partikel zu einer Verfälschung der Messung führen. Aus diesem Grund ist die Position des Fokuspunktes des Lichtes günstig so zu wählen, dass die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen einer konvektiven Partikelströmung am Ort des Fokuspunktes maximal gegenüber anderen Stellen der Sonde ist. Bei einem konvex gewölbten Sondenfenster, wie beispielsweise eine Kugellinse, befindet sich der Fokuspunkt am Scheitelpunkt der Wölbung. Am Scheitelpunkt ist die Partikelaustauschrate maximal, da der Geschwindigkeitsgradient der Strömung hier am höchsten it. Neben dem verbesserten Partikelaustausch verhindert der hohe Schergradient außerdem die Schmutzablagerung auf dem Sondenfenster. Bei einem herkömmlich verwendeten planen Sondenfenster ist das bessere Anströmverhalten meist nicht gegeben, da der maximale Schergradient und die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten meist an den Kanten der Sonde auftreten. Another advantage of this arrangement results in the operating behavior of the probe. In order to get representative information about the particles, the particles must be in the focus point of the light beam are constantly exchanged. Quiescent fluids or very low Flow rates can be due to the low particle exchange and the small number of observable particles lead to a falsification of the measurement. Out For this reason, the position of the focal point of the light should be chosen so that the Probability of convective particle flow at the location of the Focal point is maximum compared to other points of the probe. With a convex arch Probe window, such as a spherical lens, is at the focal point Apex of the bulge. At the apex, the particle exchange rate is maximum because the Velocity gradient of the flow here is highest. In addition to the improved The high shear gradient also prevents dirt exchange on the particle exchange Probe window. With a conventionally used planar probe window, this is better Flow behavior is usually not given, since the maximum shear gradient and the highest Flow velocities mostly occur at the edges of the probe.

Claims

1. Device for measuring particles in dispersions consisting of a light source for illuminating the particles to be measured, an optic that focuses the light through a fluid-side window, the focal point of the light being near the fluid-side phase boundary of the window, from a detector unit for the measurement of light scattered from the particles light and converting it into the scattered light quantity-dependent signals, having a housing between the sensor window, optics, the detector unit and / or the light source as well as an evaluation unit for processing the waveforms of the received particle signals, characterized characterized in that the probe window is designed as a highly refractive lens for focusing the light beam,

2. Device according to claim 1, characterized in that the optical window Ball lens is

3. Device according to claim 1, characterized in that the optical window Plane or biconvex lens,

4. The device according to claim 1, characterized in that the optical window a Rod lens or biconvex cylindrical lens,

5. The device according to claim 1, characterized in that the optical window a Gradient index lens is

6. The device according to claim 1-4, characterized in that the focus point of the Light beam is displaceable in the direction of the optical axis during the measurement and so the distance between the probe window and the focus point of the light beam during a measurement can be changed,

7. The device according to claim 1-5, characterized in that the sensor window a of two focusing lenses.