DE102007056682A1

DE102007056682A1 - Vorrichtung und Messanordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration, der Partikelgröße, der mittleren Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung der Partikeln einer dispersen Phase innerhalb eines dispersen Systems sowie dessen Trübung

Info

Publication number: DE102007056682A1
Application number: DE102007056682A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr.-Ing. Ripperger; Lars Steinke
Original assignee: Technische Universitat Kaiserslautern
Current assignee: Technische Universitat Kaiserslautern
Priority date: 2007-11-24
Filing date: 2007-11-24
Publication date: 2009-06-04
Also published as: WO2009065613A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und eine Messanordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration, der Partikelgröße, der mittleren Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung der Partikel einer dispersen Phase innerhalb eines dispersen Systems (2) sowie dessen Trübung durch Messung der Transmission und/oder durch Messung des Streulichts (4') eines Messstrahls (4, 20, 27, 30) nach Zurücklegen einer im dispersen System verlaufenden Messstrecke (L, L1, L2). Die Vorrichtung besitzt dabei einen Strömungsraum (1), der das disperse System (2) aufnimmt, eine Messstrahlimmissionsfläche (6), aus der der Messstrahl (4, 20, 27, 30) austritt, und eine Messstrahlkollektorfläche (10), die den Messstrahl (4, 20, 27, 30) nach Durchlaufen der Messstrecke (L, L1, L2) aufnimmt. Erfindungsgemäß erstreckt sich ein erstes Hüllelement (7) von der Messstrahlimmissionsfläche (6) und ein zweites Hüllelement (11) von der Messstrahlkollektorfläche (10) jeweils zum oder in den Strömungsraum (1) hinein. Dabei sind die Enden des ersten und zweiten Hüllelements (7, 11) in axialem Abstand zueinander angeordnet und der Messstrahl (4, 20, 27, 30) innerhalb des ersten und zweiten Hüllelements (7, 11) geführt, wobei der Abschnitt des Messstrahls (4, 20, 27, 30) zwischen den Enden der Hüllelemente (7, 11) die Messstrecke (L, L1, L2) definiert. Auf diese Weise werden die Messstrahlimmissionsfläche (6) und Messstrahlkollektorflächen (10) frei von Ablagerungen gehalten, so dass unverfälschte ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und eine Messanordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration, der Partikelgröße, der mittleren Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung der Partikeln einer dispersen Phase innerhalb eines dispersen Systems sowie dessen Trübung durch Messen der Transmission und/oder durch Messen des Streulichts eines Messstrahls nach Zurücklegen einer definierten Messstrecke innerhalb des dispersen Systems.
Gattungsgemäße Vorrichtungen und Messanordnungen besitzen einen sehr breiten Anwendungsbereich. Beispielsweise dienen sie dazu, Reinstraum-Bedingungen bei der Herstellung hochempfindlicher Bauteile zu überwachen, die Konzentration von Rußpartikeln im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren zu ermitteln, Kalziumkarbonatkristalle bei der Durchführung chemischer Fällungen zu messen, Mikroorganismen in Flüssigkeiten festzustellen und vieles mehr. Im Interesse kann dabei sowohl die Ermittlung der Partikelkonzentration und der Partikelgröße stehen, als auch die Partikelgrößenverteilung sowie die Trübung der dispersen Phase.
Das bei Messungen zur Anwendung kommende Prinzip hat seinen Niederschlag in dem Lambert-Beerschen Gesetz gefunden, wonach ein Messstrahl vorbekannter Intensität nach Durchlaufen einer Strecke innerhalb eines Mediums eine Abschwächung erfährt. Bekannte Vorrichtungen messen daher die Transmission und gewinnen aus deren Vergleich mit der Anfangsintensität Informationen über oben erwähnte Werte.
In Umsetzung dieses Gedankens besitzen im Einsatz befindliche Messvorrichtungen einen Strömungsraum mit Messfenstern für den Durchtritt des Messstrahls. Dabei ist man jedoch oft mit dem Problem konfrontiert, dass sich die in dem dispersen System mitgeführten Partikeln im Laufe der Zeit auf den Fensterflächen anlagern, was zu einer zusätzlichen Abschwächung des Messstrahls führt und daher das Messergebnis verfälscht. Es hat daher nicht an Bestrebungen gefehlt, hier Abhilfe zu schaffen.
Dazu bekannte Maßnahmen sehen vor, die Messfenster mit Hilfe von Wischern, Druckluft oder einem Druckwasserstrahl frei von Ablagerungen zu halten. Neben dem damit verbundenen regelmäßig wiederkehrenden Arbeitsaufwand besteht ein großer Nachteil darin, dass der Messvorgang für die Reinigung der Messfenster unterbrochen werden muss. Es ist daher auch schon versucht worden mit Hilfe von Antihaftbeschichtungen die Messfensteroberfläche frei von Ablagerungen zu halten.
Aus der DE 198 11 876 A1 ist eine Anordnung zur Trübungsmessung und fotometrischen Messung in Flüssigkeiten offenbart, bei welcher ebenfalls ein Messstrahl durch ein Messfenster in den Strömungsraum eintritt und diesen nach seiner Reflexion an einer Partikel durch dasselbe Fenster wieder verlässt. Um einer Verschmutzung des Messfensters vorzubeugen, wird dort vorgeschlagen, das Messfenster kontinuierlich in Schwingungen zu versetzen, was naturgemäß mit einem zusätzlichen Geräteaufwand verbunden ist und infolge der bewegten Teile einen entsprechenden Verschleiß bedingt.
Ein anderer Weg zur Lösung dieser Problematik wird in der DE 43 43 897 A1 beschritten. Dort wird zur Bestimmung der Trübung von Kraftfahrzeugabgasen in vorbestimmten Zeitabständen eine Kalibrierung der Messanordnung durchgeführt. Zu diesem Zweck wird anstelle des Abgasstromes ein Spülmedium in die Messkammer geleitet und die Transmission allein aufgrund des Verschmutzungsgrades des Messfensters bestimmt. Auf Basis der ermittelten Werte können dann die im regulären Messbetrieb anfallenden Daten unter Berücksichtigung des Verschmutzungsgrades des Messfensters auf die tatsächliche Transmission umgerechnet werden. Auch hierzu ist eine Unterbrechung des Messbetriebs erforderlich, was sich im Laufe der Zeit aufgrund der häufig durchzuführenden Kalibrierungen zu einem beträchtlichen Nachteil summiert.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung und Messanordnung anzugeben, die einen kontinuierlichen und weitgehend wartungsfreien Messbetrieb ermöglicht, ohne dass dabei die Genauigkeit der Messwerte leidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer daraus zusammengestellten Messanordnungen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 26 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, durch die konstruktive Ausbildung der Messeinrichtungen Ablagerungen an der Messstrahlemissions- und Messstrahlkollektorfläche vorzubeugen. Erfindungsgemäß gelingt dies durch die Anordnung der gefährdeten Flächen innerhalb eines Hüllelements, so dass diese Flächen im strömungsfreien Bereich liegen und daher keine Zufuhr von Partikeln aus dem dispersen System möglich ist. Dabei kann die Messstrahlemissions- und Messstrahlkollektorfläche sowohl am Ende des jeweiligen Hüllelements als auch in dessen mittlerem Längsabschnitt angeordnet sein, woraus sich ein Überstand der strömungsraumseitigen Enden der Hüllelemente gegenüber der Messstrahlemissions- und Messstrahlkollektorfläche ergibt. Dadurch, dass die Hüllelemente vollständig mit einem Fluid sind, unterbleibt ein Zusetzen der Flächen, durch welche der Messstrahl in den Strömungsraum gelangt bzw. diesen verlässt. Der sich daraus ergebende Vorteil liegt in einem weitestgehend wartungsfreien und daher ungestörten Messbetrieb, der auch kontinuierliche Langzeitmessungen ohne Unterbrechung erlaubt und zu unverfälschten Messergebnissen führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Hüllelement derart verstellbar, dass die Position des freien, dem Strömungsraum zugewandten Endes des Hüllelements in Richtung des Messstrahls verstellbar ist. Auf diese Weise kann die Länge der Messstrecke durch den Abstand der sich axial gegenüberliegenden Enden der Hüllelemente frei gewählt werden, beispielsweise zur Anpassung der Messeinrichtung an die Eigenschaften eines bestimmten dispersen Systems, insbesondere die Konzentration der dispersen Phase. Durch eine Parallelverschiebung der Enden der Hüllelemente entlang des Messstrahls ist es darüber hinaus möglich, die Anordnung der Messstrecke innerhalb des Strömungsraums frei zu wählen. Beispielsweise kann die Messstrecke mittig im Strömungsraum verlaufen, oder auch zu dessen Rand hin versetzt sein.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Hüllelement eine unveränderliche Länge, das heißt es ist starr ausgebildet. Infolge einer verschieblichen und gleichzeitig abdichtenden Lagerung des Hüllelements in der Wandung des Strömungsraums ist es möglich, das Einstellen der Messposition des Hüllelements von außerhalb vorzunehmen, wodurch eine einfache Handhabung gewährleistet ist. Vorzugsweise wird bei dieser Variante der Messstrahl frei oder über flexible Lichtleiter zur Messstrahlemissionsfläche beziehungsweise von der Messstrahlkollektorfläche geführt, da dann mit dem axialen Verstellen des Hüllelements nicht zugleich die gesamte Messeinrichtung bewegt wird.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht Hüllelemente vor, die in ihrer Länge variabel ausgebildet sind. Zu diesem Zweck kann das Hüllelement beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein, wobei der erste Teil fest mit der Wand des Strömungsraums verbunden ist, während der zweite Teil axial verschieblich innerhalb des ersten Teils angeordnet ist. Auf diese Weise erhält man ein teleskopierbares Hüllelement, um eine Verstellung dessen freien Endes vornehmen zu können. Es ist auch denkbar, die beiden das Hüllelement bildenden Teile ineinander einzuschrauben, wobei mit der Schraubbewegung eine sehr genaue Einstellung der Messstrecke erreichbar ist. Auch bei solchen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlungsquelle beziehungsweise der Strahlungsempfänger in freiem Abstand, per Lichtleiter oder auch starr an das Ende der jeweiligen Hüllelemente anschließen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Hüllelemente im Bereich der Messstrahlemissionsfläche und Messstrahlkollektorfläche mit einem reinen Fluid zu beaufschlagen, um während des Messvorgangs einen stetigen Spülstrom vom Inneren des Hüllelements in den Strömungsraum hinein zu erzeugen. Auf diese Weise gelingt es, den vom Hüllelement umschlossenen Raum frei von Partikeln zu halten, die ansonsten das Messergebnis verfälschen könnten und es wird ein zusätzlicher Schutz der Messstrahlemissionsfläche beziehungsweise Messstrahlkollektorfläche vor unerwünschten Ablagerungen erreicht.
Zusätzlich kann durch geeignete Mengenbeaufschlagung der Hüllrohre mit einem Spülstrom eine gezielte Verdünnung des dispersen Systems vorgenommen werden, beispielsweise um bei hohen Konzentrationen des dispersen Systems eine verlässlich auswertbare Transmission des Messstrahls zu erhalten. In vorteilhafter Weiterbildung diese Gedankens kann dabei das Fluid dem dispersen System aus dem Strömungsraum entnommen und nach Führung über Filterflächen in die Hüllelemente eingeleitet werden.
Es ist auch möglich, über die Hüllelemente ein Kühlfluid in den Strömungsraum einzuleiten, was vor allem bei Messungen in heißer Umgebung relevant ist, beispielsweise bei Messungen im Abgasstrom von Verbrennungsprozessen. In diesem Zusammenhang erweist sich die räumliche Trennung von Strahlungsquelle bzw. Strahlungsempfänger vom Messort unter Einsatz von Lichtwellenleitern als besonders vorteilhaft, da auf diese Weise das Risiko einer thermisch bedingten Messwertverfälschung oder Schädigung der Messapparatur weitestgehend ausgeschlossen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der empfangsseitige Teil der Messeinrichtung Hüllelemente mit Messstrahlkollektorflächen aufweisen, die in der Querschnittsebene mit Winkelversatz zum Messstrahl auf der emittierenden Seite angeordnet sind. So ist es möglich anstelle der oder zusätzlich zur Transmission auch das vom Messstrahl ausgehende Streulicht zu messen, um Rückschlüsse auf die disperse Phase zu gewinnen.
Die Wellenlänge des Messstrahls beträgt in Abhängigkeit der Art des dispersen Systems und der Zielsetzung der Messung 10 nm bis 3.000 nm und wird bevorzugt von einem Laserstrahl oder einer Leuchtdiode gebildet. Um sowohl eine dynamische als auch spektrale Extinktionsmessung mit nur einer Messanordnung vornehmen zu können, sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, einen Messstrahl aus mehreren Einzelmessstrahlen zusammenzusetzen, von denen jeder eine unterschiedliche Wellenlänge besitzt. Dabei können die Einzelmessstrahlen zu einem Strahlengang vereint oder parallel innerhalb der Hüllelemente oder auch einzeln in jeweils einem eigenen Hüllelement geführt sein.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist der Messstrahl einen fokussierten Verlauf auf, das heißt der Durchmesser des Messstrahls, der den Messraum definiert, ist beim Eintritt in den Strömungsraum zunächst groß und verringert sich zur Mitte des Strömungsraums hin bis er auf einen Punkt fokussiert ist, von dem ab er wieder zunimmt. Ein solcher Messstrahl bietet die Möglichkeit durch geeignetes axiales Verlegen der Messstrecke entlang des Messstrahls eine stufenlose Größeneinstellung des Messraums vornehmen zu können.
Um das Spektrum möglicher Messergebnisse zu erweitern weist eine erfindungsgemäße Messanordnung in einem Strömungsraum mehrere der vorbeschriebenen Messvorrichtungen auf. Durch Variation der Länge und des Orts der Messstrecke sowie der Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen und Durchmesser des Messstrahls ist ein weiterer Aufschluss über das disperse System möglich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei in allen Figuren für identische und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Es zeigt
1 in schematischer Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2a und b einen Querschnitt und eine Schrägansicht auf ein Hüllelement mit ovalem Querschnitt,
3a und b jeweils einen Teilquerschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
4a und b schematische Darstellungen der Erfindung mit gerätetechnischer Entkoppelung der
Strahlungsquelle und des Strahlungsempfängers von der übrigen Messeinrichtung,
5a, b und c jeweils in schematischer Darstellung Variationen der Länge und des Ortes der
Messstrecke innerhalb des Strömungsraums,
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Hüllelemente
mit einem Spülstrom beaufschlagt sind,
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die
Hüllelemente mit einem dem Strömungsraum entnommenen Spülstrom beaufschlagt sind,
8a und b schematische Darstellungen der Erfindung mit einem fokussierten Messstrahl,
9a und b Querschnitte einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zur zusätzlichen
Streulichtmessung und
10 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit mehreren der in den 1 bis 9
beschriebenen Messvorrichtungen.
1 zeigt in schematischer Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Man sieht zunächst einen Strömungsraum 1 in Form eines Messrohres, in dem ein disperses System 2 in Richtung des Pfeils 3 strömt. Das disperse System 2 besteht beispielsweise aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors, wobei die darin enthaltenen Rußpartikel die disperse Phase bilden. Ein anderes disperses System kann beispielsweise eine wässrige Lösung darstellen, die fein verteilte Öltröpfchen mit sich führt.
Zur Ermittlung der Partikelkonzentration und mittleren Größe der dispersen Phase ist ein Messstrahl 4 quer zur Strömungsrichtung 3 durch den Strömungsraum 1 geführt. Der Messstrahl 4 entstammt einer außerhalb des Strömungsraums 1 angeordneten Strahlenquelle 5, die vorzugsweise von einem Laser oder einer Leuchtdiod gebildet ist. In Richtung des Messstrahls 4 schließt sich an die Messstrahlemissionsfläche 6, die im wesentlichen aus einem lichtdurchlässigen Fenster, zum Beispiel aus Quarzglas, besteht, ein rohrförmiges Hüllelement 7 an. Das Hüllelement 7 ist in die Wand des Strömungsraums 1 eingesetzt und durchdringt diesen, so dass dessen freies Ende 8 im Strömungsraum 1 liegt.
Einen vergleichbaren Aufbau zeigt die gegenüberliegende Seite des Strömungsraums 1, wo der Messstrahl 4 aufgenommen wird. Dazu dient ein außerhalb des Strömungsraums 1 angeordneter Strahlungsempfänger 9 mit einer Messstrahlkollektorfläche 10, durch welche der Messstrahl 4 in den Strahlungsempfänger 9 gelangt. Auch hier erstreckt sich ein Hüllelement 11 mit seinem freien Ende 12 durch die Wand der Messkammer 1 hindurch in den Bereich des dispersen Systems 2.
Das freie Ende 8 des Hüllelements 7 sowie das freie Ende 12 des Hüllelements 11 halten einen gegenseitigen axialen Abstand ein, der die Messstrecke L definiert. Die Messtrecke L ergibt zusammen mit dem Durchmesser des Messstrahls 4 den Messraum. Über nicht weiter dargestellte Leitungen sind die Strahlungsquelle 5 und der Strahlungsempfänger 9 an eine Auswerteinrichtung angeschlossen.
Die Hüllelemente 7 und 11 umgeben im vorliegenden Beispiel über ihre gesamte Länge den Messstrahl 4 in geringem Abstand, indem der Innendurchmesser der Hüllelemente 7 und 11 nur wenig größer ist als der Durchmesser des Messstrahls 4. Der Durchmesser der Hüllelemente 7 und 11 ist Abhängigkeit der jeweiligen Ausgangsbedingungen zu wählen. Beispielsweise ist für das Ermitteln der Anzahl von Einzelpartikeln ein kleinerer Durchmesser von Vorteil. Ein im Sinne der Erfindung geeigneter Durchmesserbereich liegt beispielsweise zwischen 0,5 mm und 150 mm.
Im Normalfall besitzen die Hüllelemente 7 und 11 einen kreisförmigen Querschnitt, was jedoch abweichende Querschnittsformen nicht ausschließt. Beispielsweise ist in den 2a und 2b ein strömungstechnisch vorteilhaftes Hüllelement 7 oder 11 gezeigt, das dem dispersen System im Strömungsraum 1 möglichst wenig Widerstand bietet. Aufgrund der ausgeprägten Längserstreckungsrichtung des Querschnittprofils können in einem solchen Hüllelement 7 oder 11 problemlos mehrere Messstrahlen 4 untergebracht sein.
Bei einer Messung wird der in der Strahlungsquelle 5 erzeugte Messstrahl 4 durch die Messstrahlemissionsfläche 6 und das daran anschließende Hüllelement 7 durch das im Strömungsraum 1 befindliche disperse System 2 geleitet, wo er nach Durchlaufen der Messstrecke L im Inneren des koaxialen Hüllelement 11 und durch die Messstrahlkollektorfläche 10 hindurch zum Strahlungsempfänger 9 gelangt. Die von der Auswerteinrichtung erfassten Messsignale werden in Abhängigkeit der Zeit erfasst und daraus eine Transmissionskurve ermittelt. In Verbindung mit den übrigen Messparametern können dann die Partikelkonzentration, die Standartabweichung des Transmissionssignals und die mittlere Größe der im dispersen System 2 vorhandenen Partikeln sowie bei zusätzlicher Veränderung des Messquerschnitts deren Größenverteilung ermittelt werden.
Die 3a und b zeigen jeweils eine Weiterbildung der in 1 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Messstrecke L einstellbar ist. Der Einfachheit halber sind zwei Varianten in einem Querschnitt aufgezeigt. Im Regelfall wird jedoch jede Ausführungsform der Erfindung einen im Wesentlichen symmetrischen Aufbau zur Achse 13 aufweisen mit im Aufbau gleichen Hüllrohren 7 und 11.
Das in 3a dargestellte Hüllrohr 7 besitzt eine feste Länge. Um dennoch das die Messstrecke L definierende freie Ende 8 des Hüllrohrs 7 entlang des Messstrahls 4 verstellen zu können, ist in die Wand 14 des Strömungsraums 1 eine horizontale Lagerbuchse 15 eingebracht, innerhalb der das Hüllelement 7 radial verschieblich und druckdicht gelagert ist. Da das der Strahlungsquelle 5 zugeordnete Ende des Hüllrohrs 7 beim Verstellen des starren Hüllrohrs 7 ebenfalls verschoben wird, ist die Strahlungsquelle 5 über einen flexiblen Lichtwellenleiter 16 an das Hüllrohr 7 angeschlossen, dessen Ende von der Messstrahlemissionsfläche 6 gebildet ist.
3b hingegen sieht eine zweiteilige Ausgestaltung des Hüllelements 11 vor. Der erste Teil 17 des Hüllelements 11 durchdringt die Wand 14 und ist mit dieser fest verbunden. Am außerhalb des Strömungsraums 1 liegenden Ende des Hüllrohrs 11 ist der Strahlungsempfänger 9 mit der Messstrahlkollektorfläche 10 angeordnet. Der zweite Teil 18 des Hüllelements 11 besitzt einen geringfügig kleineren Durchmesser und ist auf diese Weise teleskopartig in den ersten Teil 17 einschiebbar. Eine alternative Ausführungsform besteht im Einschrauben des zweiten Teils 18 in den ersten Teil 17, was entsprechende Gewinde in den sich gegenüberliegenden Flächen zwischen den beiden Teilen 17 und 18 voraussetzt.
Weitere – nicht dargestellte – Ausführungsformen der Erfindung sehen Hüllelemente vor, deren Mantel beispielsweise nach Art eines Faltenbalgs oder Wellrohrs ausgebildet ist und daher in axialer Richtung gedehnt oder gestaucht werden kann, um die Lage des Endes des Hüllelements im Strömungskanal einstellen zu können.
Die 4a und b zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Versuchsanordnung, bei der die Strahlungsquelle 5 und der Strahlungsempfänger 9 jeweils von dem übrigen Geräteaufbau entkoppelt sind. Zu diesem Zweck ist in 4a eine Strahlungsquelle 5 dargestellt, deren Messstrahl 4 koaxial zur Längsachse des Hüllelements 7 durch die Messstrahlemissionsfläche 6 in den Strömungsraum 1 gelangt und diesen durch das Hüllelement 11 über die Messstrahlkollektorfläche 10 verlässt und im Weiteren auf einen Strahlungsempfänger 9 auftrifft. Der Messstrahl 4 überbrückt dabei zwischen Strahlungsquelle 5 und Hüllelement 7 sowie zwischen Strahlungsempfänger 9 und Hüllelement 11 eine freie Distanz, so dass geringfügige Lageänderungen des Strömungsraums 1 mit Hüllelementen 7 und 11 keine Auswirklungen auf den Messstrahls 4 und damit das Messergebnis haben.
4b zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit apparativer Trennung von Strahlungsquelle 5 bzw. Strahlungsempfänger 9 von den Hüllelementen 7 bzw. 11 mittels Lichtwellenleiter 16. Dort wird der Messstrahl 4 von einer Strahlungsquelle 5 in Form eines Lasers über einen Lichtwellenleiter 16 zu einem optischen Einkoppler 31 geführt. Vom optischen Einkoppler 31 gelangt der Messstrahl 4 unter Überbrückung einer freien Distanz koaxial durch die Messstrahlemissionsfläche 6 in das Hüllelement 7. Auf der gegenüberliegenden Seite tritt der Messstrahl durch die Messstrahlkollektorfläche 10 aus dem Hüllelement 11 aus und gelangt unter Überbrückung einer freien Distanz zu einem optischen Auskoppler 32, der den Messstrahl 4 auffängt und über einen Lichtwellenleiter 16 einem Strahlungsempfänger 9 in Form eines Detektors zuführt. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt es, Strahlungsquelle 5 und den Strahlungsempfänger 9 in beliebigem Abstand vom Ort der Messung anzuordnen, was vor allem bei Messungen in heißer Umgebung und bei Messungen an nur schlecht zugänglichen Messpunkten von großem Interesse ist.
Die sich mit den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ergebenden Möglichkeiten zur Einstellung der Messstrecke L und damit des Messraums sind in den 5a, b und c dargestellt.
5a zeigt eine Stellung der Hüllelemente 7 und 11, bei der deren Enden 8 und 12 symmetrisch zur Längsachse 19 des Strömungsraumes 1 in engem Abstand zur Erzielung einer kurzen Messstrecke L angeordnet sind.
Erfordert hingegen die Art der Messung eine große Messstrecke L, so können, wie in 5b gezeigt, die Enden 8 und 12 der Hüllelemente 7 und 11 in Richtung der Wand 14 des Strömungsraums 1 verschoben werden, wobei sich auch hier wiederum eine bezüglich der Längsachse 19 symmetrische Messstrecke L ergibt.
Im Unterschied dazu zeigt 5c eine Ausführungsform der Erfindung mit zur Längsachse 19 asymmetrische Anordnung der Messstrecke L. Dazu werden beide Enden 8 und 12 der Hüllelemente 7 und 11 in dieselbe Richtung in den Randbereich des Strömungsraums 1 verschoben. Auf diese Weise lassen sich an unterschiedlichen Stellen des Strömungsraums 1 Messungen vornehmen.
Die in 6 dargestellte Ausführungsform der Erfindung basiert im wesentlichen auf den Ausführungen zu den 1 bis 5 mit dem Unterschied, dass parallel zum ersten Messstrahl 4 mit einer ersten Wellenlänge ein zweiter Messstrahl 20 mit einer zweiten Wellenlänge die Messstrecke L durchläuft. Der zweite Messstrahl 20 wird über den Lichtleiter 21 zu den Hüllelementen 7 und 11 gebracht bzw. daraus abgeleitet. Durch das Vorsehen zweier Messstrahlen 4 und 20 mit unterschiedlichen Wellenlängen kann mit einer Messung sowohl eine dynamische als auch spektrale Extinktionsmessung vorgenommen und so der Messbereich erheblich erweitert werden.
Als weitere Ergänzung und unabhängig von der Anzahl der Messstrahlen sieht die Ausführungsform gemäß 6 einen Spülstrom 22 vor, der ins Innere der Hüllelemente 7 und 11 geleitet wird. Der Spülstrom 22 besteht aus einem neutralen Fluid, das von außerhalb des Systems über eine Pumpe 23 mit einem Druck p₁ im Bereich der Messstrahlemissionsfläche 6 bzw. Messstrahlkollektorfläche 10 in den von den Hüllelementen 7, 11 umschlossenen Raum geleitet wird. Da der Druck p₁ den innerhalb des Strömungsraums 1 vorherrschenden Druck p₀ übersteigt, wird ein kontinuierlicher Spülstrom von den Hüllelementen 7 und 11 ins Innere des Strömungsraums 1 erzeugt.
Eine Variation hierzu zeigt 7, bei der der Spülstrom 24 nicht von außen zugeführt, sondern dem dispersen System 2 entnommen wird. Zu diesem Zweck wird der Spülstrom 24 mit Hilfe einer Pumpe 25 und unter einem Druck p₃ über Filterflächen 26 geführt, um die im Spülstrom 24 mitgeführten Partikeln herauszufiltern. Ansonsten wird der Spülstrom 24 in der unter 4 beschrieben Weise zu den Hüllelementen 7 und 11 geleitet.
Durch das Vorsehen eines Spülstroms 22, 24 wird sichergestellt, dass der Messstrahl 4, 20 nicht bereits Partikeln innerhalb der Hüllelemente 7 und 11 erfasst, die zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen würden, da sich diese außerhalb der Messstrecke L befinden. Gleichzeitig verhindert die Spülströmung 22, 24, dass sich im dispersen System 2 befindliche Partikeln an der Messstrahlemissionsfläche 6 bzw. Messstrahlkollektorfläche 10 absetzen.
Im Bedarfsfall lässt sich zudem mithilfe des Spülstroms das disperse System beliebig stark verdünnen und damit dessen Konzentration in einen Bereich bringen, in dem Messungen sinnvoll vorgenommen werden können. Zusätzlich ist es möglich den Spülstrom vor Einleitung in die Hüllelemente 7, 11 zu kühlen, um Messungen in einer Umgebung mit hohen Temperaturen besser durchführen zu können.
Die 8a und b betreffen Ausführungsformen der Erfindung mit fokussiertem Messstrahl 27. Ein solcher Messstrahl 27 besitzt beim Austritt aus der Messstrahlemissionsfläche 6 seinen größten Durchmesser, der sich kontinuierlich verkleinert, bis er in der Mitte zwischen Messstrahlemissionsfläche 6 und Messstrahlkollektorfläche 10 auf einen Punkt konzentriert ist. Darüber hinaus in Richtung der Messstrahlkollektorfläche 10 nimmt der Durchmesser des Messstrahls 25 wieder zu. Durch eine geeignete Anordnung der Hüllelemente 7 und 11 entlang des Messstrahls 27 kann die Messstrecke L in den Bereich kleiner Messstrahldurchmesser verlegt werden, d. h. im stark fokussierten Bereich, um hochauflösende Messungen durchzuführen.
Erfordert die Art der Messung jedoch einen Messstrahl 25 mit größerem Durchmesser, so können die Hüllelemente 7 und 11 zum Rand des Strömungsraums 1 hin verschoben werden, wo der Messstrahl 25 einen größeren Durchmesser besitzt (8b).
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 9a aufgezeigt. Diese Ausführungsform ermöglicht zusätzlich zur Messung der Transmission die Erfassung von Streulicht 4', das durch Reflexion und/oder Beugung und/oder Brechung eine gegenüber dem Messstrahl 4 abgelenkte Richtung aufweist. Zur Erfassung des Streulichts weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein weiteres Hüllelement 11', 11'', 11''' auf, das gegenüber dem kreisförmigen Querschnitt des Strömungsraumes 1 radial ausgerichtet ist und gegenüber einem durchgehenden Messstrahl 4 einen Winkel Θ einschließt. Die konstruktive Ausbildung der Hüllelemente 11', 11'', 11''' entspricht dem bereits beschriebenen Hüllelement 11. Insbesondere weisen die Hüllelemente 11', 11'', 11''' ebenfalls eine Messstrahlkollektorfläche 10', 10'', 10''' auf, der entweder direkt oder im freien Abstand ein Strahlungsempfänger 9, 9'', 9''' oder ein optischer Auskoppler axial gegenüberliegt. Bei der Ausführung von Trübungsmessungen wird ein Winkel Θ in einem Bereich zwischen 11° und 25° bevorzugt. Für die Streulichtmessung betragen vorteilhafte Werte für den Winkel Θ 45°, 90° und 135°. Die Hüllelemente 11', 11'', 11''' können sowohl in Kombination mit einem Hüllelement 11 zur Messung der Transmission als auch ohne das Hüllelement 11 lediglich zur Messung des Streulichts verwendet werden.
9b zeigt eine Weiterentwicklung der zuvor beschriebenen Vorrichtung, bei der jedem Hüllelement 11', 11'' diametral ein weiteres Hüllelement 11'''' und 11''''' gegenüberliegt. Das Streulicht 4' wird somit über sich diametral gegenüberliegende Strahlungsempfänger 9 gemessen mit dem Vorteil, dass mit der Beaufschlagung der Hüllelemente 11', 11'', 11'''' und 11''''' mit einem Spülstrom keine Störung der Messstrecke L durch den Spülstrom einhergeht. Durch das symmetrische Aufeinandertreffen der entgegengesetzten Spülströme im Bereich der Messstrecke L kommt es zu einer gegenseitigen Kompensation.
Schließlich zeigt 10 noch eine Messanordnung, bei der zwei Vorrichtungen gemäß der 1 bis 9 zum Einsatz kommen, um umfangreich Messwerte über das disperse System 2 zu erhalten. Man sieht in Strömungsrichtung 3 zunächst eine Messvorrichtung 28, der in Strömungsrichtung 3 eine zweite Messvorrichtung 29 nachgeordnet ist. Die Messvorrichtungen 28 und 29 bestehen aus einer beliebigen Kombination der unter den 1 bis 9 beschriebenen Ausführungsformen.
Zum Erhalt aufschlussreicher Messdaten über das disperse System 2 durchläuft der fokussierte Messstrahl 27 mit einer ersten Wellenlänge eine nur kurze Messstrecke L₁ im Strömungsraum 1. Eine zweite Messung erfolgt mit Hilfe der Messvorrichtung 29, deren fokussierter Messstrahl 30 ebenfalls das disperse System 2 über die größere Messstrecke 12 durchdringt. Weitere Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit unterschiedlichen Messparametern sind denkbar.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombinationen der einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Ebenso liegen im Rahmen der Erfindung Kombinationen einzelner Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen, die im Sinne der Erfindung miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Spülstrom gleich welcher Art mit allen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden. Ebenso ist es unerheblich, ob die Lichtquelle direkt an den Hüllelementen sitzt, über Lichtleiter mit diesen verbunden oder im freien Abstand dazu angeordnet ist. Auch die unterschiedlichen Ausgestaltungen des Messstrahls sind mit allen beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19811876 A1 [0006]
- DE 4343897 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung der Partikelkonzentration, der Partikelgröße, der mittleren Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung der Partikeln einer dispersen Phase innerhalb eines dispersen Systems (2) sowie dessen Trübung durch Messung der Transmission und/oder durch Messen des Streulichts (4') eines Messstrahls (4, 20, 27, 30) nach Zurücklegen einer im dispersen System verlaufenden Messtrecke (L, L₁, L₂), – mit einem das disperse System (2) aufnehmenden Strömungsraum (1), – mit mindestens einer Messstrahlemissionsfläche (6) aus der der Messstrahl (4, 20, 27, 30) austritt und – mit mindestens einer Messstrahlkollektorfläche (10), die den Messstrahl (4, 20, 27, 30) nach Durchlaufen der Messstrecke (L, L₁, L₂) aufnimmt, gekennzeichnet durch ein erstes Hüllelement (7), das sich von der Messstrahlemissionsfläche (6) zum oder in den Strömungsraum (1) hinein erstreckt und ein zweites Hüllelement (11), das sich von der Messstrahlkollektorfläche (10) zum oder in den Strömungsraum (1) hinein erstreckt, wobei die Enden des ersten und zweiten Hüllelements (7, 11) im Abstand zueinander angeordnet sind und der Messstrahl (4, 20, 27, 30) innerhalb des ersten und zweiten Hüllelements (7, 11) geführt ist, wobei der Abschnitt des Messstrahls (4, 20, 27, 30) zwischen den Enden der Hüllelemente (7, 11) die Messtrecke (L, L₁, L₂) definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des die Messstrecke (L, L₁, L₂) begrenzenden Endes des ersten und/oder zweiten Hüllelements (7, 11) in Richtung der Achse des Messstrahls (4, 20, 27, 30) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Hüllelement (7, 11) eine unveränderliche Länge besitzt und relativ zum Strömungsraum (1) axial verschieblich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Hüllelement (7, 11) in der Länge variabel ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Hüllelement (7, 11) aus mindestens zwei Teilen (17, 18) besteht, die ineinander einschiebbar oder einschraubbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Hüllelement (7, 11) einen in axialer Richtung elastischen, dehnbaren oder stauchbaren Mantel besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass erste und/oder zweite Hüllelement (7, 11) mit einem Fluid als Spülstrom (22, 24) und/oder als Kühlstrom (22, 24) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid dem dispersen System (2) entnommen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Filter (26) zur Filtrierung und/oder einem Kühler zur Kühlung des Fluids vor Einleitung in die Hüllelemente (7, 11).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllelemente (7, 11) einen strömungsoptimierten Querschnitt besitzen, vorzugsweise einen kreisförmigen, ovalen oder tropfenförmigen Querschnitt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Messstrahlemissionsfläche (6) austretende von einem Hüllelement (7) umgebene Messstrahlabschnitt (4.1) mit dem in die Messstrahlkollektorfläche (10) eintretende von einem Hüllelement (11) umgebene Messstrahlabschnitt (4.2) einen Winkel θ einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel θ zwischen 0° und 360° liegt, vorzugsweise 180°, 125° oder 270° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Messstrahlemissionsfläche (6) mit einem daraus austretenden von einem Hüllrohr (7) umgebenen Messstrahlabschnitt (4.1) und mindestens zwei Messstrahlkollektorflächen (10', 10'', 10''') und darin eintretende von Hüllelementen (11', 11'', 11''') umgebene Messstrahlabschnitte (4.2', 4.2'', 4.2''') aufweist, wobei die den Messstrahlabschnitten (4.2', 4.2'', 4.2''') zugeordnete Hüllelemente (11', 11'', 11''') in einem Winkelversatz zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das den Messstrahlabschnitt (4.2') aufnehmende Hüllelement (11') dem den Messstrahlabschnitt (4.1) umgebenden Hüllelement (7) diametral gegenüber liegt
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der den in die Messstrahlkollektorflächen (10', 10'', 10''') eintretenden Messstrahlabschnitte (4.2', 4.2'', 4.2''') zugeordneten Hüllelemente (11', 11'', 11''') sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (4, 20, 27, 30) eine Wellenlänge zwischen 10 nm und 3000 nm besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (5) des Messstrahls (4, 20, 27, 30) von einem Laser oder einer Leuchtdiode gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (4, 20, 27, 30) fokussiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (4, 20, 27, 30) aus mindestens zwei Einzelstrahlen zusammengesetzt ist, die eine unterschiedliche Wellenlänge besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstrahlen mittels eines Beamcombiners zu einem Strahlengang vereint sind und innerhalb der Hüllelemente (7, 11) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstrahlen parallel innerhalb der Hüllelemente (7, 11) geführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsraum (1) von der dispersen Phase durchströmt ist und die Messstrecke (L, L₁, L₂) quer zur Durchströmrichtung (3) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (5) und/oder der Stachlungsempfänger (9) gerätetechnisch von dem oder den Hüllelementen (7, 11) entkoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (5) mittels eines Lichtwellenleiters (16) an einen Einkoppler angeschlossen ist, der den Messstrahl über eine freie Distanz zu dem Hüllelement (7) leitet.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger (9) mittels eines Lichtwellenleiters (16) an einen Auskoppler angeschlossen ist, der den Messstrahl über eine freie Distanz aus dem Hüllelement (11) aufnimmt.
Messanordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration, der Partikelgröße, der mittleren Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung der Partikeln einer dispersen Phase innerhalb eines dispersen Systems (2) oder dessen Trübung durch Messung der Transmission und/oder durch Messung des Streulichts (4') eines Messstrahls (27, 30) nach Zurücklegen einer im dispersen System (2) verlaufenden Messtrecke (L₁, L₂), gekennzeichnet durch mindestens zwei Vorrichtungen (28, 29) gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 24, die in Strömungsrichtung (3) des dispersen Systems (2) im axialen Abstand und/oder im Winkelabstand bezüglich der Strömungsachse zueinander angeordnet sind.
Messanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Vorrichtungen (28, 29) Messstrahlen (27, 30) mit unterschiedlicher Wellenlänge besitzen.