DE102012210289A1

DE102012210289A1 - Light-based particle detection and sizing

Info

Publication number: DE102012210289A1
Application number: DE102012210289A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Freitag; Robert Schrobenhauser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2013-12-19
Also published as: WO2013189921A1

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln angegeben, die eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, Mittel zur Führung wenigstens eines Teils der Partikel als Partikelstrahl durch den Lichtstrahl und einen Lichtdetektor zur Erfassung von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Lichtstrahls umfasst, wobei beispielsweise im Zentrum oder Schlitz-förmig an den Seiten des Lichtstrahls ein Abschattungselement vorgesehen ist, das zu einer Abschattung oder Abschwächung des Lichtstrahls ausgestaltet ist.The invention relates to a device for detecting and measuring particles comprising a light source for generating a light beam, means for guiding at least part of the particles as a particle beam through the light beam and a light detector for detecting portions of the light beam scattered on the particles, wherein, for example in the center or slit-shaped on the sides of the light beam, a shading element is provided, which is configured to a shading or attenuation of the light beam.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, Mitteln zur Führung wenigstens eines Teils der Partikel als Partikelstrahl durch den Lichtstrahl und einem Lichtdetektor zur Erfassung von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Lichtstrahls sowie ein zugehöriges Verfahren. The invention relates to an arrangement for detecting and measuring the size of particles with a light source for generating a light beam, means for guiding at least a portion of the particles as a particle beam through the light beam and a light detector for detecting scattered at the particles portions of the light beam and an associated method.

Bei der Laser-basierten Partikeldetektion wird das Streulicht unter bestimmten Winkeln aufgefangen, das Signal gemessen und daraus auf die Partikelgröße geschlossen. In einem Ansatz wird das Signal-Maximum beim Durchtritt des Partikels durch den Laserstrahl gemessen und nach der Mie-Theorie ausgewertet. Diese Technik hat jedoch mehrere Einschränkungen: a) Das Signal-Rausch-Verhältnis limitiert die kleinste detektierbare Partikelgröße, b) Der Laserstrahl ist – sofern nicht kollimiert – divergent und weist im Normalfall eine gaußförmig verlaufende Intensität über dem Querschnitt auf; dies führt zu Mehrdeutigkeiten und Fehlern in der Bestimmung der Signal-Maxima: Partikel sollten idealerweise am Punkt der höchsten Laserstrahlintensität durchtreten, da hier die Streulichtmenge am größten ist. Dies ist im Zentrum der Strahltaille. Treten Partikel nun beispielsweise außerhalb des Zentrums an einer longitudinal von der Strahltaille entfernten Position durch den Laserstrahl, so ist die Laserstrahlintensität wesentlich kleiner, während die Durchtrittszeit in beiden Fällen dieselbe ist. Die Bestimmung der Durchtrittszeit kann jedoch als Charakteristikum des Partikeldurchtritts verwendet werden um zu ermitteln, ob das Streulicht des Partikels korrekt auf den Detektor abgebildet wird. Dies ist nicht der Fall, wenn ein Partikel zu weit von der Strahltaille als dem idealen Abbildungspunkt entfernt liegt. Die Schwierigkeit in der Auswertung besteht somit darin, Eindeutigkeit zu gewährleisten. In the laser-based particle detection, the scattered light is collected at certain angles, the signal is measured and from this closed to the particle size. In one approach, the signal maximum as the particle passes through the laser beam is measured and evaluated according to the Mie theory. However, this technique has several limitations: a) the signal-to-noise ratio limits the smallest detectable particle size, b) the laser beam is divergent unless it is collimated, and normally has a Gaussian intensity across the cross section; this leads to ambiguities and errors in the determination of the signal maxima: particles should ideally pass through at the point of highest laser beam intensity, since the amount of scattered light is greatest here. This is in the center of the beam waist. If, for example, particles now come out of the center at a position away from the beam waist by the laser beam, the laser beam intensity is substantially smaller, while the passage time is the same in both cases. However, the determination of the transit time can be used as a characteristic of the particle penetration to determine whether the scattered light of the particle is correctly imaged on the detector. This is not the case if a particle is too far away from the beam waist than the ideal imaging point. The difficulty in the evaluation is therefore to ensure uniqueness.

Bekannte Lösungsansätze bestehen beispielsweise in einer aufwändigen Signalverarbeitung, in welcher beispielsweise die Symmetrie des Signalverlaufs analysiert und die Durchtrittszeit ausgewertet wird. Nur wenn diese in einem eng eingeschränkten Bereich in der Nähe der Strahltaille lag, wurde das Partikel als für die Partikelgrößenbestimmung interessant berücksichtigt. Ebenso wurden zusätzliche Luftströmungen („sheath air") eingesetzt, welche den Partikelfluss durch die Strahltaille führen sollten. Es wurde jedoch gleichzeitig ein vorhandener Fehler akzeptiert. Auch der Einsatz von Linsen zur Abbildung des Streulichts auf einem einzigen Punkt innerhalb der Laserstrahltaille wurde umgesetzt, dies bedeutet jedoch einen erhöhten Komplexitätsgrad sowie zusätzliche Komponenten. Known approaches include, for example, an elaborate signal processing in which, for example, analyzed the symmetry of the waveform and the transit time is evaluated. Only when it was in a narrow range near the beam waist was the particle considered to be interesting for particle sizing. Likewise, additional sheath air was used to guide the flow of particles through the waist of the beam, but at the same time an existing flaw was accepted and the use of lenses to image the scattered light at a single point within the laser beam waist was also implemented however, means increased complexity and additional components.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, bei denen die eingangs genannten Probleme vermindert sind. It is an object of the present invention to provide an improved arrangement for detecting and measuring the size of particles and an associated method, in which the problems mentioned are reduced.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. This object is achieved by an arrangement having the features of claim 1 and a method having the features of claim 8. The subclaims relate to advantageous embodiments of the invention.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls. Sie umfasst weiterhin Mittel zur Führung wenigstens eines Teils der Partikel als Partikelstrahl durch den Lichtstrahl und schließlich einen Lichtdetektor zur Erfassung von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Lichtstrahls. The arrangement according to the invention for detecting and measuring the size of particles comprises a light source for generating a light beam. It further comprises means for guiding at least part of the particles as a particle beam through the light beam and finally a light detector for detecting portions of the light beam scattered on the particles.

Zwischen der Lichtquelle und dem Bereich, in dem der Partikelstrahl durch den Lichtstrahl führbar ist, ist ein Abschattungselement vorgesehen, das zu einer Abschattung oder Abschwächung des Lichtstrahls ausgestaltet ist. Dabei ist das Abschattungselement so gestaltet und angeordnet, dass die durch die Abschattung bewirkte Änderung im Signal des Lichtdetektors eine Identifikation solcher Partikel erlaubt, die im Wesentlichen durch das Zentrum des Lichtstrahls laufen. Between the light source and the region in which the particle beam can be guided by the light beam, a shading element is provided, which is configured to a shading or attenuation of the light beam. In this case, the shading element is designed and arranged such that the shading caused by the change in the signal of the light detector allows identification of such particles, which run essentially through the center of the light beam.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln wird mittels einer Lichtquelle ein Lichtstrahl erzeugt, wenigstens ein Teil der Partikel als Partikelstrahl durch den Lichtstrahl geführt und gestreute Anteile des Lichtstrahls erfasst und ausgewertet. Dabei wird ein Teil des Lichts abgeschattet oder abgeschwächt und eine durch die Abschattung erzeugte Signaleigenschaft ausgewertet, um zu bestimmen, ob die Bewegung eines der Partikel im Wesentlichen durch das Zentrum des Lichtstrahls (14) geführt hat. In the method according to the invention for detecting and measuring the size of particles, a light beam is generated by means of a light source, at least a part of the particles is guided as a particle beam through the light beam and scattered components of the light beam are detected and evaluated. In doing so, a part of the light is shaded or attenuated, and a signal property generated by the shading is evaluated to determine whether the movement of one of the particles is substantially through the center of the light beam (FIG. 14 ) has led.

Dabei versteht es sich, dass der Zweck der Anordnung sein kann, nur eine Erfassung von Partikeln oder nur eine Größenmessung oder Größenabschätzung oder auch beides gleichzeitig vorzunehmen. Bei der Lichtquelle handelt es sich bevorzugt um eine Laserdiode oder eine andere Laserlichtquelle. Es sind aber gewöhnliche (nicht-Laser) Lichtquellen anderer Art verwendbar. Bei den Mitteln zur Führung der Partikel kann es sich um vielerlei Ausgestaltungen handeln. Sie können lediglich in einem Teilcheneinlass bestehen, der einen bereits bestehenden Partikelfluss zum Lichtstrahl hin durchlässt. Es kann sich aber auch um eine Einrichtung handeln, die die Partikel beispielsweise mittels eines Luftstroms aktiv leitet. It should be understood that the purpose of the arrangement may be to perform only particle detection or just size measurement or size estimation or both at the same time. The light source is preferably a laser diode or another laser light source. However, ordinary (non-laser) light sources of other types are usable. The means for guiding the particles can be many different embodiments. They can only exist in a particle inlet, which lets an already existing particle flow through to the light beam. But it may also be a device that actively conducts the particles, for example by means of an air flow.

Im Zentrum des Lichtstrahls bezeichnet dabei einen Bereich, der in einem Schnitt durch den Lichtstrahl quer zu seiner Ausbreitungsrichtung im Zentrum oder im Bereich des Zentrums des sich ergebenden Schnittbilds liegt. Ist der Lichtstrahl beispielsweise in seiner Gesamtheit (idealisiert) zylinderförmig, so ist sein Schnittbild stets ein Kreis und das Zentrum des Lichtstrahls bezeichnet in diesem Fall das Zentrum des Kreises. In the center of the light beam, this designates a region which lies in a section through the light beam transversely to its propagation direction in the center or in the region of the center of the resulting cross-sectional image. For example, if the light beam is cylindrical in its entirety (idealized), then its sectional image is always a circle and the center of the light beam in this case denotes the center of the circle.

Abschattung bezeichnet hier die völlige Blockade des Lichtstrahls, während Abschwächung eine teilweise Blockade bedeutet. Shadowing here denotes the complete blockage of the light beam, while weakening means a partial blockage.

Die Erfindung erreicht vorteilhaft, dass ein Partikel, das sich durch das Zentrum oder nahezu durch das Zentrum des Lichtstrahls bewegt, ein eindeutig identifizierbares Signalmuster im Detektor hinterlässt. Genauer wird in der Zeit, in der sich das Partikel durch den abgedunkelten Bereich bewegt, auch kein oder weniger Licht gestreut, d.h. das Signal im Detektor wird mehr oder weniger stark verringert oder im Falle der völligen Abschattung völlig unterdrückt. The invention advantageously achieves that a particle that moves through the center or almost through the center of the light beam leaves a clearly identifiable signal pattern in the detector. More specifically, no or less light is scattered during the time that the particle is moving through the darkened area, i. the signal in the detector is more or less reduced or completely suppressed in the case of total shading.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass dieses Signalmuster den sonstigen Messvorgang nicht übermäßig negativ beeinflusst, aber vorteilhaft dazu herangezogen werden kann, Aussagen über den Weg der Partikel zu treffen, die anderweitig nur schwierig zu treffen sind. For the invention, it was recognized that this signal pattern does not affect the other measurement process excessively negatively, but can be used advantageously to make statements about the path of the particles, which are otherwise difficult to meet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschattungselement so angeordnet und ausgestaltet, dass der Zentralbereich des Lichtstrahls abgeschattet wird. Das Abschattungselement ist dann bevorzugt in Form eines im Vergleich zum Radius des Lichtstrahls kleinen Kreises oder kleinen Rechtecks gestaltet. Hierdurch wird die Signaländerung von Partikeln, die sich durch das Zentrum bewegen, sehr deutlich, da genau der Bereich höchster Signalintensität ausgeblendet wird. In one embodiment of the invention, the shading element is arranged and designed so that the central region of the light beam is shaded. The shading element is then preferably designed in the form of a small circle or small rectangle compared to the radius of the light beam. As a result, the signal change of particles that move through the center, very clear, as exactly the area of highest signal intensity is hidden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschattungselement so angeordnet und ausgestaltet, dass der Bereich des Lichtstrahls ab einer festlegbaren Entfernung vom Zentrum abgeschattet wird. Diese Ausgestaltung entspricht einer Umkehrung der ersten Möglichkeit, indem nur Licht im Zentrum des Lichtstrahls überhaupt durchgelassen oder nicht abgeschwächt wird. Hierbei wird die Signalauswertung vereinfacht, da Partikel, die außerhalb des Zentrums durch den Lichtstrahl laufen, meist gar kein Signal liefern. In an alternative embodiment of the invention, the shading element is arranged and configured so that the area of the light beam is shaded from a defined distance from the center. This embodiment corresponds to a reversal of the first possibility in that only light in the center of the light beam is transmitted or not attenuated. This simplifies the evaluation of the signal because particles that pass through the light beam outside of the center usually do not deliver any signal at all.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschattungselement als schlitzförmige Blende angeordnet und ausgestaltet, so dass ein Bereich des Lichtstrahls durchgelassen wird, der entlang eines Partikelwegs durch das Zentrum des Lichtstrahls liegt. Da die Partikel durch die Mittel zur Führung im Wesentlichen aus einer Richtung durch den Lichtstrahl treten, müssen sich alle Partikel, die durch das Zentrum des Lichtstrahls treten, nahe einer Linie bewegen. Die schlitzförmige Blende lässt einen Bereich nahe dieser Linie offen. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, von den gewünschten Partikeln, die sich durch das Zentrum bewegen, das volle Signal zu erhalten, da für diese kein Bereich abgeschattet ist, und erleichtert somit die Auswertung des Signals. In a further alternative embodiment of the invention, the shading element is arranged and configured as a slot-shaped aperture, so that a region of the light beam is transmitted which lies along a particle path through the center of the light beam. Since the particles pass through the guiding means substantially from one direction through the light beam, all the particles passing through the center of the light beam must move near a line. The slit-shaped aperture leaves an area near this line open. This embodiment makes it possible to obtain the full signal from the desired particles moving through the center, since no area is shadowed for them, and thus facilitates the evaluation of the signal.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschattungselement so angeordnet und ausgestaltet, dass ein Bereich entlang der Linie, an der sich Partikel durch das Zentrum des Lichtstrahls bewegen, abgeschattet wird, wobei der Bereich – auf dem Weg des Partikels – vor oder hinter dem Zentrum liegt. Bei dieser Ausgestaltung sind Signale von allen Partikeln vorhanden und bei denjenigen, die sich durch das Zentrum bewegen, ist statt dem Bereich höchster Intensität im Zentrum selbst ein Bereich geringerer Intensität ausgeblendet, was das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert. In a further alternative embodiment of the invention, the shading element is arranged and configured so that a region along the line at which particles move through the center of the light beam is shaded, the region - on the path of the particle - before or after the Center is located. In this embodiment, there are signals from all the particles, and those moving through the center, instead of the highest intensity area in the center itself, have an area of lesser intensity hidden, which improves the signal-to-noise ratio.

Es ist zweckmäßig, wenn die Anordnung eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Signalen des Lichtdetektors umfasst, die ausgestaltet ist, aus den Signalen die Menge und/oder Größe der Partikel zu ermitteln. It is expedient if the arrangement comprises an evaluation device for evaluating signals of the light detector, which is designed to determine from the signals the amount and / or size of the particles.

Diese Auswerteeinrichtung kann nun ausgestaltet sein, bei der Auswertung eine durch die Abschattung erzeugte Signaleigenschaft – die Reduzierung des Signals – zu berücksichtigen, um zu bestimmen, ob die Bewegung eines der Partikel durch das Zentrum des Lichtstrahls geführt hat. Dies ist bei zentraler Abschattung entweder direkt anhand der Reduzierung des Signals möglich, da ein Partikel, das sich außerhalb der Abschattungszone durch den Lichtstrahl bewegt, keine solche Abschwächung des Signals erfährt. Wird alternativ eine seitlich blockende Apertur eingebracht, so muss ein verwertbares Signal eine hohe Symmetrie entsprechend des Lichtstrahlverlaufs aufweisen. This evaluation device can now be configured to take into account in the evaluation a signal property generated by the shading - the reduction of the signal - in order to determine whether the movement of one of the particles has passed through the center of the light beam. This is possible in the case of central shading, either directly on the basis of the reduction of the signal, since a particle which moves through the light beam outside the shading zone does not undergo such a weakening of the signal. If, as an alternative, a laterally blocking aperture is introduced, then a usable signal must have a high degree of symmetry corresponding to the light beam profile.

Weiterhin kann die Auswerteeinrichtung ausgestaltet sein, bei der Auswertung eine durch die Abschattung erzeugte Signaleigenschaft zu berücksichtigen, um zu bestimmen, in welcher Entfernung von der Lichtquelle die Bewegung eines der Partikel durch den Lichtstrahl geführt hat. Hierzu wird vorteilhaft die Dauer des Durchtritts des Partikels durch den Laserstrahl oder der Abschattung desselben, also der Signalabschwächung, verwendet. Bei einem Lichtstrahl, der im Laufe seines Wegs aufweitet, wird der Bereich der Abschattung im Laufe seines Wegs immer größer, d.h. die Dauer der Abschattung beim Durchtritt durch diese Zone immer länger. Furthermore, the evaluation device can be designed to take into account in the evaluation a signal property generated by the shading in order to determine at which distance from the light source the movement of one of the particles has passed through the light beam. For this purpose, advantageously the duration of the passage of the particle through the laser beam or the shadowing of the same, so the signal attenuation used. With a beam of light that expands in the course of its travel, the area of shading in the course of its travel becomes ever larger, i. the duration of shading as it passes through this zone becomes longer and longer.

Bevorzugt umfasst die Anordnung eine Linse zur Fokussierung des Lichtstrahls. Als Abschattungselement kann dann beispielsweise die Linse mitverwendet werden, indem ein Bereich der Linse geschwärzt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein eigenes, beispielsweise undurchsichtiges, also lichtblockierendes Element in den Strahlweg zu bringen. The arrangement preferably comprises a lens for focusing the light beam. As a shading element, for example, then the lens can be used by a portion of the lens is blackened. Another possibility is to bring a separate, for example, opaque, so light-blocking element in the beam path.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen A preferred, but by no means limiting embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing. The features are shown schematically. Show it

1 einen schematischen Sensoraufbau zur Partikeldetektion und Partikelwege und 1 a schematic sensor structure for particle detection and particle paths and

2 Sensorsignalverläufe für die Partikelwege, 2 Sensor signal curves for the particle paths,

3 Abschattungsvarianten. 3 Abschattungsvarianten.

1 zeigt einen stark schematisierten und nicht maßstabsgetreuen Aufbau eines Partikeldetektors 10. Der Partikeldetektor 10 weist eine Laserdiode 11 und eine im Bereich der Laserdiode 11 angeordnete Linse 12 zur Fokussierung des Laserstrahls auf. Ein rechteckiger Bereich 13 in der Mitte der Linse 12 ist geschwärzt und damit praktisch undurchdringlich für das Laserlicht. Der Partikeldetektor 10 weist weiterhin Mittel zur Führung eines Partikelstroms zum Laserstrahl 14 und durch den Laserstrahl 14 hindurch auf, die jedoch in 1 nicht dargestellt sind. Schließlich weist der Partikeldetektor 10 eine Detektoreinrichtung zum Auffangen und Erfassen von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Laserstrahls 14 auf, die jedoch in 1 zur besseren Übersicht ebenfalls nicht dargestellt ist. 1 shows a highly schematic and not true to scale construction of a particle detector 10 , The particle detector 10 has a laser diode 11 and one in the region of the laser diode 11 arranged lens 12 for focusing the laser beam. A rectangular area 13 in the middle of the lens 12 is blackened and thus practically impenetrable to the laser light. The particle detector 10 further comprises means for guiding a particle flow to the laser beam 14 and by the laser beam 14 through, but in 1 are not shown. Finally, the particle detector points 10 a detector device for collecting and detecting portions of the laser beam scattered on the particles 14 on, but in 1 also not shown for clarity.

Die Laserdiode 11 erzeugt einen Laserstrahl 14, der durch die Linse 12 tritt. Der Laserstrahl 14 weist nach Durchgang durch die Linse 12 einen hyperboloidartigen Verlauf des Querschnitts 15, 16 auf. Mit anderen Worten läuft der Laserstrahl 14, dessen Querschnitt 15, 16 im vorliegenden Beispiel ein Kreis ist, zuerst zusammen zu kleinerem Durchmesser und dann im Lauf des Weges wieder auseinander. The laser diode 11 generates a laser beam 14 passing through the lens 12 occurs. The laser beam 14 points after passage through the lens 12 a hyperboloidal course of the cross section 15 . 16 on. In other words, the laser beam is running 14 whose cross-section 15 . 16 In the present example, a circle is, first together to smaller diameter and then apart again in the course of the path.

In dem Bereich, in dem der Querschnitt 15 am kleinsten ist, ist ein bevorzugter Messpunkt, da hier das Messsignal am größten ist. 1 zeigt hierfür einen ersten und zweiten Partikelweg 17, 18, die in diesem Bereich durch den Laserstrahl 14 führen. Dabei führt der erste Partikelweg 17 gerade durch das Zentrum des Laserstrahls 14, während der zweite Partikelweg 18 zwar durch den Laserstrahl 14 führt, jedoch an dessen Zentrum vorbei. Der erste Partikelweg 17 führt das entsprechende Partikel also durch denjenigen Bereich des Laserstrahls 14, in dem das Laserlicht durch den geschwärzten Bereich 13 abgeschattet ist. In the area where the cross section 15 is the smallest, is a preferred measurement point, since the measurement signal is greatest here. 1 shows for this purpose a first and second particle path 17 . 18 in this area by the laser beam 14 to lead. This leads to the first particle path 17 straight through the center of the laser beam 14 during the second particle path 18 though by the laser beam 14 leads, but past its center. The first particle path 17 So the corresponding particle passes through that area of the laser beam 14 in which the laser light passes through the blackened area 13 is shadowed.

In einem weiter abseits der Laserdiode 11 liegenden Bereich des Laserstrahls 14 führen ein dritter und vierter Partikelweg 19, 20 durch den Laserstrahl 14. Dabei führt der dritte Partikelweg 19 gerade durch das Zentrum des Laserstrahls 14, während der vierte Partikelweg 20 zwar durch den Laserstrahl 14 führt, jedoch wiederum an dessen Zentrum vorbei. Der dritte Partikelweg 19 führt das entsprechende Partikel also wie der erste Partikelweg 17 durch denjenigen Bereich des Laserstrahls 14, in dem das Laserlicht durch den geschwärzten Bereich 13 abgeschattet ist. In a farther away from the laser diode 11 lying area of the laser beam 14 lead a third and fourth particle path 19 . 20 through the laser beam 14 , The third particle path leads here 19 straight through the center of the laser beam 14 during the fourth particle path 20 though by the laser beam 14 leads, but again past its center. The third particle path 19 leads the corresponding particle as the first particle path 17 through the area of the laser beam 14 in which the laser light passes through the blackened area 13 is shadowed.

Auf dem Weg entlang der Partikelwege 17...20 streuen die Partikel auftreffendes Licht im Laserstrahl 14. Dieses wird von der Detektoreinrichtung aufgenommen und führt zu einem Messsignal. Verläufe 21...24 von Messsignalen über die Zeit für die Partikelwege 17...20 sind in 2 dargestellt. Dabei entspricht bei geradliniger und unbeschleunigter Bewegung der Zeitablauf der in 1 dargestellten y-Koordinate. On the way along the particle paths 17 ... 20 The particles scatter incident light in the laser beam 14 , This is recorded by the detector device and leads to a measurement signal. courses 21 ... 24 of measurement signals over time for the particle paths 17 ... 20 are in 2 shown. With linear and unaccelerated motion, the time sequence corresponds to the in 1 represented y-coordinate.

Der erste Verlauf 21 entspricht dem Messsignal bei Durchlauf des ersten Partikelwegs 17. Der im Wesentlichen symmetrische Gauß-artige Verlauf des Signals ist zur Mitte hin unterbrochen, da hier das Partikel durch den Schatten des geschwärzten Bereichs 13 läuft. Aus der Breite 25 der Unterbrechung lässt sich – beispielsweise zusammen mit der gesamten Breite des Verlaufs 21 oder aus einem anderen Maß der Geschwindigkeit des Partikels – auf den Abstand des ersten Partikelwegs 17 von der Laserdiode 11 schließen. Der zweite in 2 dargestellte Verlauf 22 bezieht sich auf den zweiten Partikelweg 18. Da der zweite Partikelweg 18 an dem abgeschatteten Bereich vorbeiführt, ergibt sich im zweiten Verlauf keine Unterbrechung. Aus dem zweiten Verlauf 22 kann – ohne Kenntnis des Partikelwegs 18 – eindeutig geschlossen werden, dass dieser nicht durch das Zentrum des Laserstrahls 14 geführt hat. The first course 21 corresponds to the measuring signal when passing the first particle path 17 , The substantially symmetrical Gaussian shape of the signal is interrupted towards the center, since here the particle is through the shadow of the blackened area 13 running. From the width 25 the interruption can be - for example, along with the entire width of the course 21 or from another measure of the velocity of the particle - the distance of the first particle path 17 from the laser diode 11 shut down. The second in 2 illustrated course 22 refers to the second particle path 18 , Because the second particle path 18 Passing the shaded area, there is no interruption in the second course. From the second course 22 can - without knowing the particle path 18 - be clearly concluded that this is not through the center of the laser beam 14 has led.

Der dritte Verlauf 23 entspricht dem Messsignal bei Durchlauf des dritten Partikelwegs 19. Der im Wesentlichen symmetrische Gauß-artige Verlauf des Signals ist auch hier wieder zur Mitte hin unterbrochen, da hier das Partikel durch den Schatten des geschwärzten Bereichs 13 läuft. Aus der Breite 26 dieser Unterbrechung lässt ebenfalls auf den Abstand des dritten Partikelwegs 19 von der Laserdiode 11 schließen. Bei bekannter Geometrie des Partikeldetektors 10 kann also erkannt werden, dass ein Partikel auf dem dritten Partikelweg 19 nicht im idealen Messbereich den Laserstrahl 14 durchlaufen hat. The third course 23 corresponds to the measuring signal when passing through the third particle path 19 , The essentially symmetrical Gaussian shape of the signal is again interrupted to the middle here, since here the particle through the shadow of the blackened area 13 running. From the width 26 this interruption also allows for the distance of the third particle path 19 from the laser diode 11 shut down. With known geometry of the particle detector 10 So it can be seen that a particle on the third particle path 19 not in the ideal measuring range the laser beam 14 has gone through.

Der vierte in 2 dargestellte Verlauf 24 bezieht sich auf den vierten Partikelweg 20. Da der vierte Partikelweg 20 an dem abgeschatteten Bereich vorbeiführt, ergibt sich im vierten Verlauf wieder keine Unterbrechung. Auch hier kann also – ohne Kenntnis des entsprechenden vierten Partikelwegs 20 – geschlossen werden, dass dieser nicht durch das Zentrum des Laserstrahls 14 geführt haben kann. The fourth in 2 illustrated course 24 refers to the fourth particle path 20 , Because the fourth particle path 20 Passing the shaded area, there is no interruption in the fourth course again. So here too - without knowing the corresponding fourth particle path 20 - be concluded that this is not through the center of the laser beam 14 may have led.

Vorteilhaft wird die Auswertung auf solche Partikel begrenzt, die möglichst nahe am idealen Bereich durch den Laserstrahl 14 treten oder diesen Partikeln wird eine höhere Gewichtung eingeräumt. The evaluation is advantageously limited to particles which are as close as possible to the ideal region through the laser beam 14 or give these particles a higher weighting.

In einer weiteren Verbesserung der Messung kann ein matched filter (Optimalfilter), der auf die Abschattungsform angepasst ist, verwendet werden. Dadurch entsteht der zusätzliche Vorteil, dass das für Photodioden typische 1/f-Rauschen, das insbesondere bei niedrigen Frequenzen auftritt, durch einen Hochpass zur Auswertung der starken Anstiegsflanken der Abschattung, zusätzlich reduziert werden kann. Das System-Rauschen wird damit minimiert. Eine solche Realisierung hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie mit vergleichsweise wenigen Schritten durchgeführt werden kann und somit Rechen- und Auswertekapazitäten spart. In a further improvement of the measurement, a matched filter adapted to the shading shape can be used. This results in the additional advantage that the typical for photodiodes 1 / f noise, which occurs especially at low frequencies, can be additionally reduced by a high pass to evaluate the strong rising edges of shading. The system noise is thus minimized. Such a realization has the additional advantage that it can be carried out with comparatively few steps and thus saves computing and evaluation capacities.

Der gezeigte Partikeldetektor 10 benötigt keine Luftführungsströmungen, was seine Zuverlässigkeit maximiert und die auftretenden Fehler minimiert. Der Partikeldetektor 10 erlaubt erstmalig eine genaue Bestimmung der Partikelposition innerhalb des Laserstrahls ohne zusätzliche Hilfsmittel und bei gleichzeitig geringem Messaufwand. The shown particle detector 10 does not require airflow flows, which maximizes its reliability and minimizes errors. The particle detector 10 allows for the first time an accurate determination of the particle position within the laser beam without additional aids and at the same time low measuring effort.

In der 3 sind mehrere Abschattungsvarianten 31...34 gezeigt, die für die Partikelmessung verwendet werden können. In the 3 are several shading variants 31 ... 34 shown that can be used for particle measurement.

Die erste Abschattungsvariante 31 entspricht der im bisher erläuterten Ausführungsbeispiel verwendeten. Hierbei ist ein Zentralbereich der Linse geschwärzt. Der Zentralbereich kann dabei beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig sein. The first shading variant 31 corresponds to that used in the previously explained embodiment. Here, a central area of the lens is blackened. The central region can be, for example, rectangular, square or circular.

Die zweite Abschattungsvariante 32 entspricht einer schlitzförmigen Blende und kann durch eine entsprechende Schwärzung der Linse oder auch durch eine unabhängig von der Linse bestehende Blende realisiert werden. Partikel, die sich außerhalb des lichtdurchlässigen Bereichs der Blende bewegen, liefern hierbei überhaupt kein Signal mehr. The second shading variant 32 corresponds to a slot-shaped aperture and can be realized by a corresponding blackening of the lens or by an irrespective of the lens existing aperture. Particles that move outside of the translucent area of the panel will not deliver any signal at all.

Die dritte Abschattungsvariante 33 entspricht einer Umkehr der ersten Abschattungsvariante 31. Hierbei wird nur in einem kleinen Bereich um das Zentrum der Linse Licht durchgelassen. Dies reduziert die auszuwertenden Signale deutlich. The third shading variant 33 corresponds to a reversal of the first shading variant 31 , In this case, light is transmitted only in a small area around the center of the lens. This significantly reduces the signals to be evaluated.

Die vierte Abschattungsvariante 34 entspricht der ersten Abschattungsvariante 31, allerdings ist hier der geschwärzte Bereich der Linse aus dem Zentrum herausgerückt, um den Bereich höchster Signalintensität nicht auszublenden. Die Abschattung liegt hier vor oder hinter dem Zentrum auf einem gedachten Partikelweg, der durch das Zentrum führt. The fourth shading variant 34 corresponds to the first shading variant 31 However, here the blackened area of the lens has moved out of the center, so as not to hide the area of highest signal intensity. The shading is here in front of or behind the center on an imaginary particle path that leads through the center.

Claims

Arrangement ( 10 ) for the detection and size measurement of particles with - a light source ( 11 ) for generating a light beam ( 14 ) Means for guiding at least part of the particles as a particle beam through the light beam ( 14 ), - a light detector for detecting particles of the light beam scattered on the particles ( 14 ), characterized in that between the light source ( 11 ) and the area in which the particle beam through the light beam ( 14 ) is feasible, a shading element ( 13 ) for shading or attenuation of the light beam ( 14 ) is provided, wherein the shading element ( 13 ) is designed and arranged so that the change caused by the shading in the signal of the light detector allows an identification of such particles that pass substantially through the center of the light beam.

Arrangement ( 10 ) according to claim 1, wherein the shading element ( 13 ) is arranged so that the central region of the light beam ( 14 ) is shadowed.

Arrangement ( 10 ) according to claim 1, wherein the shading element ( 13 ) is arranged so that the area of the light beam ( 14 ) is shaded at a definable distance from the center.

Arrangement ( 10 ) according to claim 1, wherein the shading element ( 13 ) in a region of the light beam ( 14 ) arranged on a path of a particle through the center of the light beam ( 14 ) in front of or behind the center of the light beam ( 14 ) lies.

Arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims with a lens ( 12 ) for focusing the light beam ( 14 ).

Arrangement ( 10 ) according to claim 5, wherein a part of the lens ( 12 ) is blackened to be used as a shading element ( 13 ) to act.

Arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the light source ( 11 ) a laser diode ( 11 ).

Arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims with an evaluation device for evaluating signals of the light detector, configured to determine from the signals the amount and / or size of the particles.

Arrangement ( 10 ) according to claim 8, wherein the evaluation device is designed to take into account in the evaluation a signal property generated by the shading, in order to determine whether the movement of one of the particles through the center of the light beam ( 14 ) has led.

Arrangement ( 10 ) according to claim 8 or 9, wherein the evaluation device is designed to take into account, in the evaluation, a signal property generated by the shading in order to determine at what distance from the light source ( 11 ) the movement of one of the particles through the light beam ( 14 ) has led.

Method for recording and measuring the size of particles, in which - by means of a light source ( 11 ) a light beam ( 14 ) is generated, - at least a part of the particles as a particle beam through the light beam ( 14 ), - scattered portions of the light beam ( 14 ) are detected and evaluated, characterized in that a part of the light is shaded or attenuated and a signal property generated by the shading is evaluated to determine whether the movement of one of the particles substantially through the center of the light beam ( 14 ) has led.

A method according to claim 11, wherein a signal property generated by the shading is evaluated to determine at what distance from the light source ( 11 ) the movement of one of the particles through the center of the light beam ( 14 ) has led.