DE102008041330A1

DE102008041330A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Partikelmessung

Info

Publication number: DE102008041330A1
Application number: DE102008041330A
Authority: DE
Inventors: Marko Kustic; Peter Schuetzbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von in einem Fluidstrom enthaltenen Partikeln (3) sowie der geometrischen Ausdehnung der Partikel (3) in mindestens zwei Richtungen, wobei der Fluidstrom durch einen Messkanal (1) strömt, der Messebenen (5, 7) zur Aufnahme von Messsignalen aufweist, die quer zur Strömungsrichtung (8) untereinander angeordnet sind. Die Geschwindigkeit wird durch die Zeitdifferenz (Δt₁) bestimmt, zu der eine Änderung der Messsignale in den Messebenen (5, 7) ermittelt wird. Die geometrische Ausdehnung des Partikels (3) in Strömungsrichtung (8) wird aus der Geschwindigkeit und der Dauer der Abweichung des Messsignals in einer Messebene (5, 7) von einem Grundsignal (U_g) bestimmt und die geometrische Ausdehnung des Partikels (3) quer zur Strömungsrichtung (8) wird als Funktion der Änderung des Messsignals in einer Messebene (5, 7) bestimmt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von in einem Fluidstrom enthaltenen Partikeln sowie der geometrischen Ausdehnung der Partikel in mindestens zwei Richtungen. Weiterhin geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Zur Erfassung der Anzahl und Größe von Partikeln in einem Fluidstrom werden derzeit insbesondere Streuverfahren, Beugungsverfahren und Abschattungsverfahren eingesetzt. Diese liefern zwar befriedigende Ergebnisse im Hinblick auf die Anzahl der Partikel bzw. die Konzentration der Partikel in einem Fluid, jedoch ist das Ergebnis hinsichtlich der Partikelgröße bzw. Partikelform eher unzureichend, da das Messsignal im Allgemeinen in eine theoretisch angenommene Partikelform, beispielsweise ein Partikel mit kreisrundem Durchmesser, umgerechnet wird. Insbesondere bei der Restschmutzanalytik, bei der Informationen der maximalen Partikelausdehnung von großer Wichtigkeit sind, können diese Verfahren daher nur eingeschränkt eingesetzt werden.
Um Informationen zur Partikelform zu erhalten, werden derzeit insbesondere auch bildgebende Verfahren eingesetzt. Diese sind jedoch im Allgemeinen sehr kompliziert und kostenintensiv und können für Anwendungen, bei denen einerseits alle Partikel zeitnah in einem größeren Volumen quantitativ erfasst werden sollen und andererseits die Größe der Partikel bestimmt werden soll, nicht eingesetzt werden. Der Einsatz ist insbesondere deshalb nicht möglich, da beispielsweise zu große Datenmengen anfallen.
Ein solches bildgebendes Verfahren ist zum Beispiel in DE-A 10 2006 039 670 beschrieben. Hierbei wird ein Partikel enthaltender Luftstrom von einem Lichtstrahl durchleuchtet, wobei der Lichtstrahl einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Größe der zu messenden Partikel. Über ein Bilderfassungssystem wird zum einen die Größe der Partikel und zum anderen die Bewegungsrichtung der Partikel im Luftstrom bestimmt. Hieraus lässt sich er mitteln, ob es sich um Rauchpartikel, Pollen oder Staub handelt. Eine Erfassung der Partikelform ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von in einem Fluidstrom enthaltenen Partikeln sowie der geometrischen Ausdehnung der Partikel in mindestens zwei Richtungen, strömt der Fluidstrom durch einen Messkanal, der zwei Messebenen zur Aufnahme von Messsignalen aufweist. Die Messebenen sind quer zur Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Die Geschwindigkeit wird durch die Zeitdifferenz bestimmt, zu der eine Änderung der Messsignale in den Messebenen ermittelt wird. Die geometrische Ausdehnung des Partikels in Strömungsrichtung wird aus der Geschwindigkeit und der Dauer der Abweichung des Messsignals in einer Ebene von einem Grundsignal bestimmt und die geometrische Ausdehnung des Partikels quer zur Strömungsrichtung wird als Funktion der Änderung des Messsignals in einer Ebene bestimmt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine zeitnahe, quantitative Erfassung aller Partikel möglich, die eine bestimmte Größe in einem definierten Volumen aufweisen. Zudem lässt sich eine Aussage zur Partikelform durch das Verhältnis von Länge zu Breite des Partikels treffen. Als Länge des Partikels ist in diesem Zusammenhang die geometrische Ausdehnung des Partikels in Strömungsrichtung zu verstehen und als Breite die geometrische Ausdehnung quer zur Strömungsrichtung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere Partikel in Flüssigkeiten messen. Derartige Partikel sind zum Beispiel Fertigungspartikel mit einer Größe bis zu 1 mm in ihrer maximalen Ausdehnung. Die Partikel können zum Beispiel Metallpartikel, Kunststoffpartikel oder Keramikpartikel sein, die bei der spanenden Bearbeitung von Bauteilen anfallen. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Messung von Partikeln aus Stahl oder Aluminium. Die Partikel sind zum Beispiel in einer Flüssigkeit oder in einem Gas enthalten. Bevorzugt sind die Partikel in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Kraftstoff, Hydrauliköl, Mischungen daraus oder ähnlichem enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere eingesetzt zur Untersuchung von Partikeln, die in Waschflüssigkeiten enthalten sind. Diese fallen zum Beispiel an bei der Reinigung von Bauteilen. So ist es zum Beispiel erforderlich, Bauteile zu reinigen, wenn diese spanend bearbeitet worden sind. Die Reinigung erfolgt im Allgemeinen durch Spülen mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit. Aufgrund des Flüssigkeitsdruckes werden Partikel, die an der Oberfläche des Bauteiles haften, entfernt. Durch die Bestimmung der Anzahl der Partikel in der Flüssigkeit kann der Reinigungsfortschritt des Bauteils ermittelt werden.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Beispiel auch eingesetzt werden zur Untersuchung von Schmiermitteln, die zur Schmierung bewegter Bauteile, beispielsweise von Getrieben, eingesetzt werden. In diesen Schmiermitteln reichern sich zum Beispiel durch Abrieb Partikel an. Mit dem Verfahren lassen sich dann Anzahl, Größe und Geschwindigkeit der Partikel bestimmen.
In einer ersten Ausführungsform wird das Fluid in den Messebenen von einer Laserquelle gesendeten Laser durchleuchtet, wobei zur Erfassung der Messsignale Photodetektoren verwendet werden, die das empfangene Licht in ein elektrisches Signal wandeln. Mit dem von der Laserquelle gesendeten Laser wird dabei jeweils die Messebene in ihrer gesamten Breite erfasst. Hierzu ist es einerseits möglich, einen flachen Laser, der sich über die gesamte Breite des Messkanals erstreckt, auszusenden oder die Ebene durch eine schnelle Hin- und Herbewegung eines Laserstrahls abzudecken. Um neben der Länge des Partikels in Strömungsrichtung auch dessen Breite erfassen zu können, ist die Höhe einer von einem Laserstrahl gebildeten Messebene vorzugsweise niedriger als die Längenausdehnung des Partikels. Durch eine hohe zeitliche Auflösung des Messsignals, vorzugsweise im Bereich von wenigen Mikrosekunden kann ein Partikel in mehreren Ebenen vermessen werden. Durch die Abschattung der Laserebene durch das Partikel bzw. die Reflexion des Laserstrahls lässt sich die Breite des Partikels an der Messposition bestimmen. Durch mehrere Messebenen kann so auch auf die Form des Partikels rückgeschlossen werden.
Zur Messung sind die Photodetektoren in einer Ausführungsform jeweils der Laserquelle gegenüberliegend angeordnet und das das Fluid durchdringende Licht wird empfangen. Die im Fluid enthaltenen Partikel bilden einen Schatten auf dem Photodetektor, so dass an der Position, an der sich das Partikel befindet, kein Licht empfangen wird. Wie zuvor bereits beschrieben, lässt sich hierdurch auf die Breite des Partikels zurückschließen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Photodetektoren auf der gleichen Seite wie die Laserquelle angeordnet sind und das reflektierte Licht empfangen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn die der Laserquelle gegenüberliegende Seite des Kanals eine lichtabsorbierende Oberfläche aufweist, die kein Licht reflektiert. Somit wird nur das vom Partikel reflektierte Licht von Photodetektor empfangen. Alternativ ist es auch möglich, zum Beispiel einen gepulsten Laser einzusetzen. Bei einer reflektierenden Kanalrückwand kann dann auf die Partikelbreite geschlossen werden aus dem Zeitpunkt des Auftreffens des reflektierten Lichts auf den Photodetektor. In diesem Fall lasst sich aus der Zeitdifferenz, zu der die Reflexion gemessen wird zum Beispiel auch ermitteln, in welchem Abstand sich die Partikelvorderseite von der Kanalwand befindet.
Wenn der Photodetektor auf der der Laserquelle gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, ergibt sich die Breite des Partikels aus der Lichtmenge, die vom Photodetektor empfangen wird. Je breiter das Partikel ist, umso größer ist der durch das Partikel abgeschattete Bereich und umso weniger Licht wird vom Lichtdetektor empfangen. Demgegenüber wird bei einem Photodetektor, der auf der gleichen Seite wie die Laserquelle angeordnet ist, umso mehr Licht empfangen, je breiter das Partikel ist.
Als Laserquelle geeignete Laser sind zum Beispiel Halbleiterlaser oder Laserdioden. Bevorzugt eingesetzt werden Laserdioden.
Die Wellenlänge des verwendeten Lasers liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 nm, insbesondere im Bereich von 200 bis 250 nm.
Anstelle des Einsatzes einer Laserquelle und eines Photodetektors ist es alternativ auch möglich, mit einer Zeilenkamera Bilddaten zur erfassen, wobei jeweils eine Bildzeile eine Messebene ist. Im Unterschied zu bilderfassenden Systemen, bei denen ein gesamter Bildausschnitt mit gesamtem Partikel erfasst wird kann hierdurch die Datenmenge sehr viel geringer gehalten werden und das Verfahren eignet sich auch zur zeitnahen Messung, zum Beispiel zur Online-Messung im laufenden Betrieb.
Um eine dreidimensionale Erfassung der Partikelabmaße zu erhalten, ist es bevorzugt, dass die Messebenen um die Achse des Messkanals zueinander gedreht angeordnet sind. Durch das Erfassen des vom Partikel erzeugten Schattens bzw. der Reflexion des Lichts auf dem Partikel wird so jeweils in einer Messebene die Breite des Partikels erfasst. Für eine dreidimensionale Abwicklung des Partikels ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Messebenen um einen Winkel von im Wesentlichen 90° zueinander gedreht sind. Hierdurch lasst sich die Form des Partikels dreidimensional entsprechend einem kartesischen Koordinatensystem erfassen. Die dreidimensionale Erfassung eines Partikels ist insbesondere dann gewünscht, wenn zum Beispiel flache Partikel im Fluidstrom enthalten sind.
Der Abstand der Messebenen liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 1000 μm. Besonders bevorzugt liegt der Abstand der Messebenen im Bereich von 10 bis 100 μm und insbesondere im Bereich von 30 bis 70 μm. Der geringe Abstand der Messebenen hat den Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Partikel gleichzeitig im Bereich der Mess ebenen befinden, reduziert wird. Zudem erhält man eine verbesserte Signalzuordnung zur ersten und zweiten Messebene.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von in einem Fluidstrom enthaltenen Partikeln sowie der geometrischen Ausdehnung der Partikel in mindestens zwei Richtungen umfasst einen Messkanal, der von einem Partikel enthaltenen Fluidstrom durchströmt werden kann. Am Messkanal sind zwei Laserquellen angeordnet, die jeweils in einer quer zur Strömungsrichtung des Fluids ausgerichteten Messebene einen Laser aussenden können und es ist mindestens ein Photodetektor umfasst, um das empfangene Licht in ein Messsignal zu wandeln. Wenn nur ein Photodetektor umfasst ist, ist es notwendig, einen Photodetektor einzusetzen, bei dem unterschieden werden kann, von welcher Laserquelle der jeweils erfasste Laser stammt. Bevorzugt wird deshalb für jeden Laser ein eigener Photodetektor eingesetzt. In einem üblichen Photodetektor wird das empfangene Licht in eine Spannung gewandelt. Die Größe der Spannung ist dabei abhängig von der Menge des empfangenen Lichts. So ist es zum Beispiel üblich, dass die Spannung mit zunehmender empfangener Lichtmenge steigt. Wenn nun ein Partikel durch eine Messebene bewegt wird, bildet sich ein Schatten auf dem Photodetektor und die Menge des empfangenen Lichtes nimmt ab. Das durch das Abschatten aufgrund des Partikels geänderte Messsignal wird im Allgemeinen Extinktionssignal genannt. Durch die Größe des Extinktionssignales kann, wie vorstehend bereits beschrieben, auf die Größe des Partikels geschlossen werden.
Der zur Messung eingesetzte Messkanal weist vorzugsweise eine maximale Ausdehnung quer zur Strömungsrichtung des Partikel enthaltenen Fluidstroms im Bereich von 250 bis 2000 μm auf. Dabei kann der Messkanal einen Strömungsquerschnitt in einer beliebigen Form aufweisen. Üblicherweise ist der Messkanal jedoch in einem quadratischen Querschnitt ausgebildet. Weiterhin ist jedoch zum Beispiel auch ein runder Querschnitt oder ein dreieckförmiger Querschnitt denkbar. Bei einem quadratischen Querschnitt entspricht die maximale Ausdehnung der Kantenlänge des Quadrates, bei einem kreisförmigen Querschnitt dem Durchmesser. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt des Messkanals quadratisch. Dies hat den Vorteil, dass sich die Messebenen im Vergleich zu anderen Querschnittsgeometrien besser plan-parallel ausrichten lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es, die Prüfhäufigkeit im Unterschied zu konventioneller Sauberkeitsprüftechnik mit Filteranalyse, wie sie heute im Allgemeinen eingesetzt wird, zu erhöhen. So können zum Beispiel anstelle von nur ca. 0,2% der Erzeugnisproduktion 100% der Erzeugnisproduktion geprüft werden. Zudem lässt sich die Feedbackzeit der Analyse von ca. 7 Stunden, wie sie bei Sau berkeitsprüftechnik mit Filteranalyse erforderlich ist, auf weniger als 5 Minuten reduzieren. Hieraus können kurze Regelkreise mit gezielten, definierten Reaktionsmaßnahmen aufgebaut werden. Bei einer zu hohen Verunreinigung kann auf diese Weise sofort reagiert werden. Durch die kurze Feedbackzeit lässt sich zum Beispiel eine Online-Überwachung in einer Serienfertigung automatisieren. Zudem wird der Personalaufwand für produktionsbegleitende Qualtitätskontrolle hinsichtlich Sauberkeit reduziert. Der personalintensive Laborbetrieb kann auf qualitativ anspruchsvolle Messungen, zum Beispiel elektronenmikroskopische Untersuchungen, konzentriert werden. Durch die Online-Fehlererkennung lassen sich zudem die internen Fehlerkosten erheblich reduzieren. Auch können spätere Ausfälle eines gefertigten Teiles aufgrund von Restschmutz durch die vollständige Kontrolle erheblich reduziert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Partikelmessung,
2 Messwerte der ersten und zweiten Messebene für einen durchlaufenden Partikel Ausführungsformen der Erfindung In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Partikelmessung dargestellt.
Eine Vorrichtung zur Messung von Partikeln umfasst einen Messkanal 1. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Messkanal 1 mit einem quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge L ausgebildet. Der Messkanal 1 wird von einem Partikel 3 enthaltenden Fluid durchströmt. Die Partikel 3 können jede beliebige geometrische Form einnehmen. Das Fluid, das den Messkanal 1 durchströmt entstammt zum Beispiel der Reinigung von Bauteilen. Hierbei nimmt das Fluid Schmutzpartikel vom Bauteil mit, die anschließend im Fluid enthalten sind. Ein Maß für die Effektivität der Reinigung ergibt sich aus der Anzahl der im Fluid enthaltenen Partikel 3. Je weniger Partikel 3 im Fluid enthalten sind, umso sauberer ist das gereinigte Bauteil.
Als Reinigungsflüssigkeit, das heißt als Fluid, das den Messkanal 1 durchströmt und die Partikel 3 enthält, wird zum Beispiel Wasser eingesetzt. Neben Wasser eignen sich aber auch zum Beispiel organische Lösungsmittel als Flüssigkeit. Üblicherweise eingesetzte Flüssigkeiten sind zum Beispiel wässrige Lösungen wie Reinigungslösungen, Kraftstoffe oder Mischungen aus Wasser und organischem Lösungsmittel, beispielsweise Alkoholen.
Neben dem Einsatz von Flüssigkeiten ist es jedoch zum Beispiel auch möglich, ein Bauteil zum Beispiel mit Druckluft abzublasen um dieses zu reinigen. Anschließend ist es auch möglich, die in der Druckluft verteilten Partikel zu zählen und zu vermessen.
Die Vermessung der Partikel 3, die in dem Fluid enthalten sind, kann zum Beispiel Rückschlüsse auf die Art der Verschmutzung des gereinigten Bauteils liefern.
Zur Erfassung der Anzahl der Partikel und der Form der Partikel wird das die Partikel 3 enthaltende Fluid durch den Messkanal 1 geleitet. Der Messkanal 1 umfasst eine erste Messebene 5 und eine zweite Messebene 7, die in Strömungsrichtung 8 des Fluids hintereinander angeordnet sind. Die Messebenen 5, 7 werden zum Beispiel von einem flachen Laserstrahl gebildet. Alternativ ist es auch möglich, dass sich ein Laserstrahl oszillierend hin- und herbewegt, um eine der Messebenen 5, 7 zu bilden. Geeignete Laser sind zum Beispiel Halbleiterlaser oder Laserdioden. Der jeweilige Laserstrahl wird von einer hier nicht dargestellten Laserquelle ausgesendet und durchdringt den Messkanal 1. In 1 ist dies schematisch mit Pfeilen 9 dargestellt. Auf der der Laserquelle gegenüberliegenden Seite sind ein erster Photodetektor 11 und ein zweiter Photodetektor 13 angeordnet. Der erste Photodetektor 11 empfängt das Licht der ersten Messebene 5 und der zweite Photodetektor 13 das Licht der zweiten Messebene 7.
Damit das Licht des Lasers 9 den Messkanal 1 durchdringen kann, ist der Messkanal 1 aus einem für das Laserlicht durchlässigen Material gefertigt. Ein geeignetes Material für den Messkanal 1 ist zum Beispiel Saphirgas. Alternativ kann der Messkanal 1 jedoch zum Beispiel auch aus Quarzglas oder einem anderen Glas oder aus einem Kunststoff gefertigt sein. Notwendige Eigenschaft des Materials, aus dem der Messkanal gefertigt ist, ist, dass kein Laserlicht absorbiert wird.
Die Höhe d des Laserstrahls 9 der ersten Messebene 5 bzw. der zweiten Messebene 7 ist vorzugsweise maximal 10 μm, insbesondere maximal 3 μm. Die Breite des Lasers oder des vom Laserstrahl 9 überdeckten Bereichs, entspricht vorzugsweise der Seitenlänge L des Messkanals 1.
Die erste Messebene 5 und die zweite Messebene 7 weisen vorzugsweise einen Abstand h im Bereich von 10 bis 1000 μm und insbesondere im Bereich von 10 bis 100 μm auf.
Partikel 3, die in dem Messkanal 1 vermessen werden, können jede beliebige geometrische Form aufweisen. Beispielhaft ist dies in 1 an einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen Partikel mit einer Partikellänge l in Strömungsrichtung 8 dargestellt.
Sobald ein Partikel 3 eine Messebene 5, 7 durchbricht, ändert sich durch Abschattung 10 aufgrund des Partikels die vom Photodetektor 11, 13 empfangene Lichtmenge und damit das vom Photodetektor 11, 13 erzeugte Messsignal. Um die Anzahl der im Fluid enthaltenen Partikel zu ermitteln kann zum Beispiel jedes Mal, wenn sich das Messsignal eines Photodetektors 11 oder 13 von einem Grundsignal ohne Partikel zu ändern beginnt, ein Zähler um den Wert eins erhöht werden.
Durch die Verwendung von zwei Messebenen 5, 7 lässt sich die Geschwindigkeit eines Partikels 3 ermitteln. Die Geschwindigkeit ergibt sich dabei aus der Zeitdifferenz, mit der zuerst der erste Photodetektor 11 und dann der zweite Photodetektor 13 ein Messsignal aufnehmen. Aus der ermittelten Geschwindigkeit und der Dauer der Abweichung eines Photodetektors 11 oder 13 von einem Grundsignal lässt sich die Länge l des Partikels ermitteln. Das Grundsignal eines Photodetektors 11, 13 ist dabei das Signal, das dieser empfängt, wenn kein Partikel die Messebene durchbricht.
Bei im Wesentlichen rotationssymmetrischen Partikeln, wie dies in 1 dargestellt ist, lässt sich durch die Größe des Messsignals und damit den abgeschatteten Bereich auf dem Photodetektor 11 oder 13 der Durchmesser des Partikels 3 an der Stelle, an der dieser die Messebene 5 oder 7 durchbricht, ermitteln. Bei einem großen Durchmesser ist der Abschattungsbereich größer, bei einem kleinen Durchmesser ist der Abschattungsbereich kleiner. Dies führt dazu, dass bei einem großen Durchmesser die Abweichung vom Grundsignal größer ist als bei einem kleinen Durchmesser.
Um die geometrische Struktur auch von nicht rotationssymmetrischen Partikeln erfassen zu können, ist es notwendig, neben der Partikellänge l die Breite und die Dicke des Partikels zu erfassen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn die Messebenen 5, 7 zueinander vorzugsweise um 90° um die Kanalachse 15 gedreht sind. Auf diese Weise wird durch die Messebenen 5, 7 ein dreidimensionales Abbild des Partikels 3 erfasst.
Alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsform, bei der die Photodetektoren 11, 13 auf der der Laserquelle gegenüberliegenden Seite angeordnet sind, ist es zum Beispiel auch möglich, Photodetektoren einzusetzen, die auf der gleichen Seite wie die Laserquellen angeordnet sind. In diesem Fall ergibt das vom Partikel reflektierte Licht das Messsignal, anhand dessen die Geometrie des Partikels bestimmt wird. Bevorzugt ist jedoch ein Aufbau, wie er in 1 dargestellt ist, bei der die Photodetektoren 11, 13 der Laserquelle gegenüberliegend angeordnet sind.
Alternativ zum Einsatz eines Lasers mit Photodetektor ist es auch möglich, zum Beispiel eine Zeilenkamera zu verwenden, wobei jede Messebene durch eine Bildzeile der Zeilenkamera repräsentiert wird. Die Maße des Partikels ergeben sich hierbei ebenfalls durch die Aufnahme des Partikels in einer Zeile. Durch die Verwendung einer Zeilenkamera lässt sich die Datenmenge im Vergleich zu einem Bilderfassungssystem, bei dem ein großer Bereich des Messkanals aufgenommen wird, um die Partikel darin zu vermessen, deutlich reduzieren.
Eine Messkurve von einem Partikel, wie er in 1 dargestellt ist, ist beispielhaft für die erste Messebene 5 und die zweite Messebene 7 in 2 dargestellt. Als Messsignal wird das vom ersten Photodetektor 11 bzw. zweiten Photodetektor 13 empfangene Licht in eine Spannung gewandelt.
In 2 stellt das untere Diagramm das Messsignal der zuerst vom Partikel durchströmten ersten Messebene 5 und das obere Diagramm das Messsignal der als zweites vom Partikel durchströmten zweiten Messebene 7 dar. Hierbei ist auf der x-Achse die Zeit in Millisekunden und auf der y-Achse die von den Photodetektoren 11, 13 abgegebene Spannung als Messsignal dargestellt.
Solange kein Partikel durch eine Messebene hindurchtritt, wird von den Photodetektoren 11, 13 die maximale Lichtmenge empfangen. Diese wird in eine Grundspannung U_g als Grundsignal gewandelt. Sobald ein Partikel in die Messebene eintritt, beginnt sich das Signal zu ändern. Durch die Abschattung 10 aufgrund des Partikels und damit die abnehmende einfallende Lichtmenge auf den Photodetektor 11, 13 nimmt die Spannung ab. Das Signal ist dabei proportional zur Breite des Partikels und damit dem abgeschatteten Bereich auf dem Photodetektor. Um zu vermeiden, dass durch unterschiedliche Position des Partikels 3 im Messkanal Messfehler auftreten, ist es bevorzugt, dass die Strahlen im Messkanal parallel verlaufen. Weiterhin ist auch bevorzugt, dass als Wandmaterial für den Messkanal 1 ein Material eingesetzt wird, durch das das Licht nicht gebrochen wird.
Durch die Strömungsrichtung 8, in 1 von unten nach oben, tritt das Partikel 3 zunächst in die erste Messebene 5 ein. Dies ist in 2 im unteren Diagramm dargestellt.
Nach einer ersten Zeitdifferenz Δt₁ tritt das Partikel auch in die zweite Messebene 7 ein und das Signal am zweiten Photodetektor 13 beginnt sich zu ändern. Aus der ersten Zeitdifferenz Δt₁ und dem Abstand der Messebenen 5, 7 kann die Geschwindigkeit des Partikels 3 ermittelt werden. Solange das Partikel 3 eine Messebene durchtritt, ist das empfangene Messsignal unterschiedlich zum Grundsignal U_g. Sobald wieder das Grundsignal U_g gemessen wird, hat das Partikel die Messebene vollständig durchtreten. Die Zeitspanne von der ersten Änderung von Grundsignal U_g, bis das Grundsignal U_g wieder erreicht ist, ist eine zweite Zeitdifferenz Δt₂, die erfasst wird. Aus der Geschwindigkeit des Partikels 3 und der zweiten Zeitdifferenz Δt₂ kann die Partikellänge l ermittelt werden.
Die Breite des Partikels, die in einer Messebene ermittelt wird, ergibt sich aus der Abweichung des Messsignals vom Grundsignal U_g. In der hier dargestellten Ausführungsform nimmt der Partikeldurchmesser zunächst zu, bis ein erstes Maximum U₁ erreicht ist. Anschließend nimmt die Breite des Partikels bis zum Erreichen eines lokalen Minimums ab. An diesem Punkt hat das Messsignal den Wert U₂, der eine wesentlich geringere Abweichung zum Grundsignal U_g aufweist. Nach Erreichen des lokalen Minimums U₂ nimmt die Breite des Partikels wieder zu, bis eine zweites lokales Maximum U₃ erreicht ist. Daran anschließend erfolgt wieder eine Abnahme der Breite des Partikels bis zum Ende des Partikels, zu dem wieder das Grundsignal U_g erreicht ist. Aus der maximalen Abweichung vom Grundsignal U_g, die hier durch das Signal U₁ des ersten lokalen Maximums repräsentiert ist, lässt sich die maximale Breite des Partikels ermitteln. Bei einem rotationssymmetrischen Partikel, wie es in 1 dargestellt ist, handelt es sich hierbei um den maximalen Durchmesser des Partikels.
Bei um 90° um die Kanalachse 15 gedrehten Messebenen und nicht rotationssymmetrischem Partikel unterscheiden sich die Verläufe der von den Photodetektoren 11, 13 erfassten Signale. Auf diese Weise kann aus den unterschiedlichen Signalen jeweils die Breite des Partikels in den einzelnen Messebenen 5, 7 erfasst werden. Dadurch ist eine dreidimensionale Erfassung des Partikels 3 möglich. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn beispielsweise flache Partikel im Fluid enthalten sind. Weiterhin kann ein Vermessen des Partikels in allen drei Koordinatenrichtungen auch von Interesse sein, wenn die Partikel zum Beispiel in beliebiger Ausrichtung im Fluid enthalten sind und nicht in ihrer maximalen Partikellänge in Strömungsrichtung 8 den Kanal 1 durchströmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006039670 A [0004]

Claims

Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von in einem Fluidstrom enthaltenen Partikeln (3) sowie der geometrischen Ausdehnung der Partikel (3) in mindestens zwei Richtungen, wobei der Fluidstrom durch einen Messkanal (1) strömt, der zwei Messebenen (5, 7) zur Aufnahme von Messsignalen aufweist, die quer zur Strömungsrichtung (8) hintereinander angeordnet sind, und die Geschwindigkeit durch die Zeitdifferenz (Δt₁) bestimmt wird, zu der eine Änderung der Messsignale in den Messebenen (5, 7) ermittelt wird, die geometrische Ausdehnung des Partikels (3) in Strömungsrichtung (8) aus der Geschwindigkeit und der Dauer der Abweichung des Messsignals in einer Messebene (5, 7) von einem Grundsignal (U_g) bestimmt wird und die geometrische Ausdehnung des Partikels (3) quer zur Strömungsrichtung (8) als Funktion der Änderung des Messsignals in einer Messebene (5, 7) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in den Messebenen (5, 7) von einem von einer Laserquelle gesendeten Laser durchleuchtet wird, wobei zur Erfassung der Messsignale Photodetektoren (11, 13) verwendet werden, die das empfangene Licht in ein elektrisches Signal wandeln.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoren (11, 13) jeweils der Laserquelle gegenüberliegend angeordnet sind und das das Fluid durchdringende Licht empfangen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoren (11, 13) auf der gleichen Seite wie die Laserquelle angeordnet sind und das reflektierte Licht empfangen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserquelle ein Halbleiterlaser oder eine Laserdiode eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Lasers im Bereich von 100 bis 500 nm liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Zeilenkamera Bilddaten erfasst werden und jeweils eine Bildzeile eine Messebene (5, 7) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messebenen (5, 7) um die Achse (15) des Messkanals (1) zueinander gedreht angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messebenen (5, 7) um 90° zueinander gedreht sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Messebenen (5, 7) im Bereich von 10 bis 1000 μm liegt.
Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von in einem Fluidstrom enthaltenen Partikeln (3) sowie der geometrischen Ausdehnung der Partikel (3) in mindestens zwei Richtungen, umfassend einen Messkanal (1), der von einem Partikel (3) enthaltenden Fluidstrom durchströmt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass am Messkanal (1) zwei Laserquellen angeordnet sind, die jeweils in einer quer zur Strömungsrichtung (8) des Fluids ausgerichteten Messebene (5, 7) einen Laser aussenden können, und dass mindestens ein Photodetektor (11, 13) umfasst ist, um das empfangene Licht in ein Messsignal zu wandeln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquellen derart angeordnet sind, dass die Messebenen (5, 7) einen Abstand im Bereich von 10 bis 1000 μm aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquellen um die Achse (15) des Messkanals (1), vorzugsweise in einem Winkel von 90°, zueinander gedreht angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (1) eine maximale Ausdehnung (L) quer zur Strömungsrichtung (8) des Partikel (3) enthaltenden Fluidstromes im Bereich von 250 bis 2000 μm aufweist.