DE102012214402A1

DE102012214402A1 - Method for determining the sizes and concentration of liquid particles and gas particles in a multiphase liquid flow and cavitation channel

Info

Publication number: DE102012214402A1
Application number: DE201210214402
Authority: DE
Inventors: Nils Damaschke; Eric Ebert; Robert Kostbade; André Kleinwächter; Willfried Kröger
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Damaschke Nils De; EBERT, ERIC, DE; Kostbade Robert De; Kroeger Willfried De
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2014-02-13
Also published as: WO2014026999A1

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mit Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln und weiterhin mit inhomogenen und/oder nichtspärischen Partikeln beladenen mehrphasigen strömenden Flüssigkeit (1), umfassend die folgenden Schritte: – Einstrahlung eines Laserstrahls (11) in die Flüssigkeit (1), – Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln (12, 13) und von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln mit dem Laserstrahl (11), wobei Partikel (12, 13) beleuchtet werden, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind, – Auffangen von Streulicht der beleuchteten Partikel (12, 13) unter einem Streuwinkel (5) oder mehreren Streuwinkeln mit einer oder mehreren optischen Einrichtungen (4), – defokussierte Abbildung von Ausschnitten der Streufunktion der Partikel auf einem oder mehreren Detektoren (3), sodass für Partikel (12, 13) Streulichtinformationen erhalten werden, – kontinuierliche Verarbeitung der Streulichtinformationen mit einer Verarbeitungseinrichtung (17) und Unterscheidung von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln von homogenen sphärischen Partikeln, – Bestimmung der Größen der homogen sphärischen Partikel aus Interferenzmustern, – Bestimmung von Größenspektren und/oder der Konzentration der homogenen sphärischen Partikel unter Beachtung von größenabhängigen Detektionsvolumina. sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.A method for the continuous determination of the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing liquid (1) loaded with liquid particles and / or gas particles and also with inhomogeneous and / or non-spherical particles, comprising the following steps: Irradiation of a laser beam (11) into the liquid (1), -; Illumination of homogeneous spherical liquid particles and / or gas particles (12, 13) and of inhomogeneous and / or non-spherical particles with the laser beam (11), whereby particles (12, 13) are illuminated which are contained in the liquid along the direction of propagation of the laser beam , -? Collecting scattered light of the illuminated particles (12, 13) at a scattering angle (5) or more scattering angles with one or more optical devices (4), -; Defocused imaging of sections of the scattering function of the particles on one or more detectors (3), so that scattered light information is obtained for particles (12, 13). continuous processing of the scattered light information with a processing device (17) and differentiation of inhomogeneous and / or non-spherical particles from homogeneous spherical particles, Determining the sizes of the homogeneous spherical particles from interference patterns, Determination of size spectra and / or the concentration of the homogeneous spherical particles taking into account size-dependent detection volumes. and an apparatus for performing such a method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mehrphasigen Flüssigkeitsströmung sowie einen Kavitationskanal, aufweisend eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer Flüssigkeitsströmung The present invention relates to a method for the continuous determination of the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase liquid flow and a Kavitationskanal, comprising a device for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a liquid flow

Die Bestimmung von Partikelgrößen- und Partikelkonzentrationsspektren in Strömungen ist bei einer Vielzahl von Anwendungen von Interesse. Partikel sind Inhomogenitäten, die lokal die Stoffeigenschaften ändern. The determination of particle size and particle concentration spectra in flows is of interest in a variety of applications. Particles are inhomogeneities that locally change the material properties.

Speziell in Flüssigkeitsströmungen existieren meist zwei Arten von Partikel. Zum einen sind Feststoffpartikel, z.B. Staub, Schmutzpartikel, Abrieb, Ruß, organische Rückstände etc. vorhanden. Diese haben meist eine undefinierte Form und sind oft auch inhomogen. Zum anderen sind Flüssigkeitstropfen oder Blasen vorhanden, die im Folgenden auch als Keime bezeichnet werden sollen. Beispiele hierfür sind Wassertropfen in Öl, Öltropfen in Wasser oder auch Luftblasen in Wasser oder Öl. Diese besitzen meist eine glatte Oberfläche sind homogen und bei hinreichend kleiner Größe sphärisch oder nahezu sphärisch. Die Charakterisierung und Konzentrationsbestimmung letzterer Partikel (Keime) bei zusätzlicher Anwesenheit von inhomogenen/nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) in Flüssigkeitsströmungen ist für eine Reihe von Prozessen notwendig und soll an drei beispielhaften Prozessen verdeutlicht werden. Especially in liquid flows there are usually two types of particles. On the one hand, solid particles, e.g. Dust, dirt particles, abrasion, soot, organic residues etc. available. These usually have an undefined shape and are often inhomogeneous. On the other hand, there are liquid drops or bubbles, which will also be referred to below as germs. Examples include water drops in oil, oil drops in water or air bubbles in water or oil. These usually have a smooth surface are homogeneous and spherical in a sufficiently small size or almost spherical. The characterization and concentration determination of the latter particles (nuclei) with additional presence of inhomogeneous / non-spherical particles (solid particles) in liquid flows is necessary for a number of processes and will be illustrated by three exemplary processes.

Für die Prognose der Kavitation an Schiffspropellern, Rudern oder in Pumpen werden Kavitationsversuche durchgeführt, bei denen das Auftreten und die Art der Kavitation in Abhängigkeit von den eingestellten Parametern wie Druck, Temperatur, Sauerstoffsättigung, Strömungsgeschwindigkeit untersucht werden. Ein weiterer Parameter ist die Keimkonzentration in der Zuströmung. Diese hat ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf den Beginn, die Art, die Ausdehnung und die Hysterese der Kavitation. Beispielsweise werden Blasen aus der Zuströmung in einem Unterdruckgebiet aufgeweitet und Kavitation entsteht. Feststoffpartikel oder auch sehr kleine Blasen (<10µm) dagegen wirken nach der gängigen Definition nicht als Keime. Zur Definition des Arbeitspunktes der Kavitationskanäle wäre demnach eine Messtechnik von Vorteil, welche die Partikel detektiert und hinsichtlich Feststoffpartikel oder Blasen klassifiziert. Zusätzlich dazu sollte eine Größenbestimmung sowie eine Konzentrations- bzw. Flussbestimmung der Keime erfolgen, da der Einfluss auf die Kavitation abhängig vom Größenspektrum und von der Konzentration ist. Aufgrund des Strömungsumlaufs im Kavitationskanal wirken die am zu untersuchende Objekt erzeugten Kavitationsblasen zum Teil nach einem Umlauf wieder als Keime. Bei Änderung der Betriebsparameter benötigt der Tunnel demnach eine gewisse Zeit um einen stabilen Zustand zu erreichen. Des Weiteren kann ein Unterschied in der Keimkonzentration entstehen, wenn der Arbeitspunkt über verschiedene Betriebsparameter, wie Strömungsgeschwindigkeit oder Druck angefahren wird. Dies entspricht einer Hysterese. Um das Erreichen des Arbeitspunktes quantifizieren zu können ist eine kontinuierliche zeitaufgelöste Messung wünschenswert, die möglichst in Echtzeit Konzentrationen und Spektren der Keime liefert. Dieses Vorgehen kann auch auf die Keimkonzentrationsbestimmung in größerem Maßstab, z.B. im Nachstrom eines Schiffes, erweitert werden. Auch hier haben die Blasen Einfluss auf die Kavitation am Propeller und am Ruder des Schiffes. For the prediction of cavitation on ship propellers, oars or in pumps cavitation tests are carried out in which the occurrence and type of cavitation depending on the set parameters such as pressure, temperature, oxygen saturation, flow rate are investigated. Another parameter is the germ concentration in the inflow. This also has a decisive influence on the onset, type, extent and hysteresis of cavitation. For example, bubbles are expanded from the inflow in a negative pressure area and cavitation arises. Solid particles or even very small bubbles (<10 μm) on the other hand do not act as germs according to the common definition. For the definition of the operating point of the cavitation channels, a measurement technique would therefore be advantageous which detects the particles and classifies them with regard to solid particles or bubbles. In addition, a size determination and a concentration or flow determination of the germs should be made, since the influence on the cavitation depends on the size spectrum and on the concentration. Due to the flow circulation in the cavitation channel, the cavitation bubbles generated on the object to be investigated act in part again as germs after one revolution. When changing the operating parameters, the tunnel therefore requires a certain amount of time to reach a stable state. Furthermore, a difference in the germ concentration may arise when the operating point is approached via various operating parameters, such as flow velocity or pressure. This corresponds to a hysteresis. In order to be able to quantify the achievement of the operating point, it is desirable to have a continuous, time-resolved measurement which supplies, if possible, real-time concentrations and spectra of the germs. This procedure can also be applied to larger scale seed concentration determination, e.g. in the wake of a ship, to be extended. Again, the bubbles affect the cavitation on the propeller and the rudder of the ship.

Als zweiter beispielhafter Prozess aus dem Stand der Technik sei der Gausaustauch zwischen einer fluiden Phase und eine dispersen gasförmigen Phase, z.B. Blasen im Meer, Blasen in chemischen Reaktoren wie Blasensäulen, genannt. Um solche Prozesse zu überwachen oder zu regeln muss sowohl die Konzentration der Blasen (Keime) als auch deren Größenspektrum bekannt sein. Oft sind zusätzlich zu den Blasen noch weitere Verunreinigungen bzw. Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden, die die Konzentrationsbestimmung der Keime stören. As a second exemplary process of the prior art, Gaussian exchange between a fluid phase and a disperse gaseous phase, e.g. Bubbles in the sea, bubbles in chemical reactors such as bubble columns, called. In order to monitor or regulate such processes, both the concentration of the bubbles (germs) and their size spectrum must be known. Often, in addition to the bubbles, further impurities or solid particles are present in the flow, which disturb the concentration determination of the germs.

Als dritter beispielhafter Prozess aus dem Stand der Technik soll die Ölkonzentrationsbestimmung in Wasser angegeben werden. Bei der Einleitung von Schmutzwasser in Gewässer oder Kläranlagen darf häufig eine definierte Ölkonzentration nicht überschritten werden (z.B. Abpumpen von Bilgewasser, Einleiten von Prozessflüssigkeiten aus der chemischen Industrie). Da das Öl tropfenförmig im Wasser vorhanden ist kann die Gesamtölkonzentration über Größen- und Konzentrationsbestimmung der Tropfen erfasst werden. In den meisten Prozessen sind jedoch zusätzlich auch sehr viele Feststoffpartikel und Blasen in der Strömung vorhanden. Diese verhindern eine verlässliche in situ Bestimmung der Ölkonzentration. Daher werden im allgemeinen Proben genommen und diese ex situ mit großer Zeitverzögerung in Laboren analysiert. As a third exemplary process of the prior art, the determination of the oil concentration in water should be specified. When discharging waste water into water bodies or sewage treatment plants, a defined oil concentration must often not be exceeded (for example pumping out bilge water, discharging process liquids from the chemical industry). Since the oil is present dropwise in the water, the total oil concentration can be detected by determining the size and concentration of the drops. In most processes, however, there are also many solid particles and bubbles in the flow. These prevent a reliable in situ determination of the oil concentration. Therefore, in general, samples are taken and analyzed ex situ with great time delay in laboratories.

Derzeit verfügbare berührungslose optische in-situ Partikelmesstechniken sind prinzipiell in der Lage, die Keimkonzentration in Strömungen zu bestimmen. Allerdings sind der apparative Aufwand und damit die Kosten der Messsysteme meistens sehr hoch. Hinzu kommt, dass bei den meisten Messsystemen, gerade bei abbildenden Messtechniken, die Signal- und Bildverarbeitung sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Echtzeitfähige Systeme, wie z.B. die punktuell messende Phasen-Doppler Technik, besitzen andererseits meist eine geringe Datenrate, da das Detektionsvolumen sehr klein ist. Weiterhin liefert eine einfache Detektion und Größenbestimmung der Keime in der Regel einen fehlerbehafteten Konzentrationswert. In allen optischen Messsystemen ist die Detektionswahrscheinlichkeit der Partikel abhängig von deren Größe. Werden z.B. kleine Partikel aufgrund einer geringeren Streuung und eines damit kleineren Detektionsvolumens seltener detektiert als große, ist die Häufigkeitsverteilung der Ereignisse mit einem systematischen Fehler beaufschlagt, bekannt auch als Randzonenfehler. Die Korrektur zur Rekonstruktion der des „wahren“ Partikelgrößenspektrums muss messsystemspezifisch erfolgen, da sich die Detektionsvolumina der Verfahren stark unterscheiden. Currently available non-contact optical in situ particle measurement techniques are in principle capable of determining the concentration of nuclei in flows. However, the expenditure on equipment and thus the costs of the measuring systems are usually very high. In addition, signal processing and image processing take up a great deal of time in most measuring systems, especially with imaging measurement techniques Claim takes. On the other hand, real-time systems such as the point-measuring phase Doppler technique usually have a low data rate since the detection volume is very small. Furthermore, a simple detection and size determination of the germs usually provides a faulty concentration value. In all optical measuring systems, the probability of detection of the particles depends on their size. If, for example, smaller particles are detected less frequently than large ones due to a smaller scattering and thus a smaller detection volume, the frequency distribution of the events is subject to a systematic error, also known as edge zone error. The correction for the reconstruction of the "true" particle size spectrum must be made specific to the measuring system, since the detection volumes of the methods differ greatly.

Im Folgenden sollen derzeit verfügbare optische Messtechniken mit dem Potential der Größen- und Konzentrationsbestimmung kurz aufgelistet werden und die Nachteile hinsichtlich der Keimkonzentrationsbestimmung angegeben werden:
Phasendopplerverfahren (PD): Bei der Phasen Doppler Messtechnik werden Einzelpartikel in einem kleinen Messvolumen von zwei Laserstrahlen beleuchtet. Die Phasendifferenz zwischen zwei örtlich separierten Streulichtempfängern ist ein Maß für die Partikelgröße unter der Voraussetzung homogener sphärischer Einzelpartikel. Durch weitere Detektoren kann der Messbereich erweitert werden und es können nichtsphärische/inhomogene Partikel detektiert werden. Nachteile dieser Technik sind ein hoher Justageaufwand, ein kleines Messvolumen, eine geringe Datenrate, ein hoher apparativer Aufwand und hohe Kosten. In the following, currently available optical measurement techniques with the potential of size and concentration determination are briefly listed and the disadvantages with regard to the determination of the germ concentration are given:
Phase Doppler (PD): In the Doppler measurement technique, single particles are illuminated in a small measuring volume by two laser beams. The phase difference between two spatially separated scattered light receivers is a measure of the particle size assuming homogeneous spherical single particles. Further detectors can be used to extend the measuring range and to detect non-spherical / inhomogeneous particles. Disadvantages of this technique are a high adjustment effort, a small measurement volume, a low data rate, a high expenditure on equipment and high costs.

Zeitverschiebungsmesstechnik (ZVM): Die Partikelgröße wird durch die Messung der Zeitverschiebung der Streulichtsignale ermittelt. Gegenüber der häufig eingesetzten und technisch ähnlichen Phasen-Doppler-Anemometrie bietet die Zeitverschiebungsmesstechnik unter anderem die Vorteile eines flexibleren optischen Zugangs und die Möglichkeit, Blasen und Feststoffpartikel zu unterscheiden. Nachteile dieser Technik sind ein hoher Justageaufwand, ein geringes Messvolumen, eine geringe Datenrate. Derzeit ist keine größenabhängige Detektionsvolumenkorrektur bekannt und ein hoher apparativer Aufwand muss betrieben werden. Time shift measurement (ZVM): The particle size is determined by measuring the time shift of the scattered light signals. Compared with the frequently used and technically similar phase-Doppler anemometry, time-shift measurement technology offers, among other things, the advantages of more flexible optical access and the possibility of distinguishing bubbles and solid particles. Disadvantages of this technique are a high adjustment effort, a low measurement volume, a low data rate. Currently, no size-dependent detection volume correction is known and a high expenditure on equipment must be operated.

Schattenabbildung (Shadow): Die Technik basiert auf einer Hintergrundbeleuchtung und einem bildgebenden Aufnahmeverfahren. Aufgenommen werden kann unabhängig von Form und Material des Teilchens. Das Messvolumen ist durch die Tiefenschärfe und die Brennweite des bildgebenden Systems definiert. Nachteile dieser Technik sind eine relativ ungenaue Messung abhängig vom Justageaufwand und eine direkte Intensitätsabhängigkeit der Messergebnisse von der Lichtquelle und der Belichtungszeit des Detektors. Das Verfahren ist aufgrund des hohen Aufwandes der Bildverarbeitung in dem hier präferierten Rahmen der Anwendungen nicht echtzeitfähig, bietet keine Messvolumenkorrektur und bietet auch keine Unterscheidung zwischen Feststoffpartikeln und Blasen. Shadow Imaging: The technique is based on backlighting and an imaging process. Can be recorded regardless of the shape and material of the particle. The measurement volume is defined by the depth of field and the focal length of the imaging system. Disadvantages of this technique are a relatively inaccurate measurement depending on the adjustment effort and a direct intensity dependence of the measurement results from the light source and the exposure time of the detector. Due to the high cost of image processing, the method is not real-time capable in the context of the applications preferred here, offers no measuring volume correction and also offers no distinction between solid particles and bubbles.

Interferometric Particle Imaging (IPI): In G. König et al 1986 wurde ein Laserstrahl auf eine monodisperse Tropfenkette fokussiert. Mittels einer defokussierten Kamera wurde ein Teil der Streufunktion auf dem CCD-Sensor abgebildet und aus der Anzahl bzw. der örtlichen Frequenz der Streukeulen die Partikelgröße bestimmt. Bei geringerer Defokussierung kann die über die Apertur der Empfangsoptik vorhandene Intensitätsverteilung der Streufunktion in einem lokalen Bereich auf dem Sensor abgebildet werden. Damit wird es möglich, mehrere Partikel gleichzeitig auf dem Sensor abzubilden. Die Technik wurde auf die zweidimensionale Bestimmung der Partikelgröße homogener sphärischer Partikel erweitert und auch mit der Particle Image Velocimetry zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit kombinbiert. Die derzeit verfügbaren Varianten der Technik sind unter den Bezeichnungen Interferometric Particle Imaging (IPI) (z.B. Damaschke et al. ) oder ILIDS (z.B. Maeda et al. 2002 ) zu finden. Nachteile der derzeit verfügbaren IPI Techniken sind relativ hohe Kosten aufgrund von Pulslaserbeleuchtung und Lichtschnittgenerierung, eine sehr stark eingeschränkte Echtzeitfähigkeit, da eine umfangreiche Bildverarbeitung zur Detektion und Analyse der defokussierten Partikel notwendig ist, sowie keine Unterscheidung von Keimen und Feststoffpartikeln. Interferometric Particle Imaging (IPI): In G. König et al 1986 a laser beam was focused on a monodisperse droplet chain. By means of a defocused camera, part of the scattering function was imaged on the CCD sensor and the particle size was determined from the number or local frequency of the scattering lobes. With less defocusing, the intensity distribution of the scattering function present over the aperture of the receiving optics can be imaged in a local area on the sensor. This makes it possible to image several particles simultaneously on the sensor. The technique was extended to the two-dimensional determination of the particle size of homogeneous spherical particles and also combined with Particle Image Velocimetry to determine the particle velocity. The currently available variants of the technique are called Interferometric Particle Imaging (IPI) (eg Damaschke et al. ) or ILIDS (eg Maeda et al. 2002 ) to find. Disadvantages of the currently available IPI techniques are relatively high costs due to pulsed laser illumination and light section generation, a very limited real-time capability, as a comprehensive image processing for the detection and analysis of the defocused particles is necessary, as well as no distinction between germs and solid particles.

Streulichtverfahren/Beugungsmesstechnik (Diff): Im Gegensatz zu den genannten Zählverfahren sind der Hardwareaufwand, die Kosten, die Echtzeitfähigkeit und der Justageaufwand der Beugungsmesstechnik geringer. Bei der Beugungsmesstechnik wird ein Laserstrahl in den Messbereich eingekoppelt und das Streulicht mit einem segmentierten Detektor meist in Vorwärtsrichtung empfangen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass sich sehr viele Partikel innerhalb des Messvolumens befinden und aus der Überlagerung aller Streufunktionen der Partikel auf die Größenverteilung geschlossen werden kann. Es können damit jedoch lediglich statistische Aussagen über die Größenverteilung gemacht werden da keine Einzelpartikel charakterisiert werden und das Verfahren nicht zu den Zählverfahren zu rechnen ist. Damit können Größenspektren und Konzentrationen nicht anhand der Einzelpartikel geschätzt werden. Weiterhin ist das Verfahren nicht sensitiv gegenüber der Unterscheidung von Keimen und Feststoffpartikeln. Stray light method / Diffraction measurement technique (Diff): In contrast to the mentioned counting methods, the hardware costs, the costs, the real-time capability and the adjustment effort of the diffraction measuring technology are lower. In the diffraction measurement technique, a laser beam is coupled into the measuring range and the scattered light is usually received in the forward direction with a segmented detector. However, it is assumed that a large number of particles are within the measuring volume and can be deduced from the superposition of all scattering functions of the particles on the size distribution. However, it can only be used to make statistical statements about the size distribution since no individual particles are characterized and the method can not be expected to count. Thus, size spectra and concentrations can not be estimated from the individual particles. Furthermore, the method is not sensitive to the distinction of germs and solid particles.

Die Aufgabenstellung der Erfindung ist, möglichst viele der oben erläuterten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. The object of the invention is to overcome as many of the above-described disadvantages of the prior art.

Eine Aufgabe der Erfindung war die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bestimmung des freien Gasgehalts bei Kavitationsprozessen. Die Wasserqualität, speziell der freie Gasgehalt hat einen entscheidenden Einfluss auf die Kavitation. Das Verfahren sollte eine Messung von Keimspektren und Keimkonzentrationen ermöglichen. Dabei sollten möglichst viele der nachfolgenden Randbedingungen für eine prozessnahe Messung erfüllt werden: in-situ Messung, Zählverfahren, ein geringer Installationsaufwand, geringe Hardwarekosten, ein geringer Justageaufwand, Langzeitstabilität, eine kontinuierliche Messung (im Idealfall in Echtzeit), eine Unterscheidung von Keimen und Feststoffpartikeln sowie eine verlässliche und stabile Detektionsvolumenkorrektur. An object of the invention was to provide a method for determining the free gas content in cavitation processes. The water quality, especially the free gas content has a decisive influence on the cavitation. The method should allow the measurement of germ spectra and microbial concentrations. In so doing, as many as possible of the following boundary conditions should be met for in-process measurement: in-situ measurement, counting method, low installation effort, low hardware costs, low adjustment effort, long-term stability, continuous measurement (ideally in real time), a distinction between germs and solid particles as well as a reliable and stable detection volume correction.

Die oben genannten Aufgaben werden durch das in Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst oder durch vorteilhafte Ausgestaltungen, die in den Unteransprüchen angegeben sind. The above objects are achieved by the method specified in claim 1 or by advantageous embodiments, which are specified in the dependent claims.

Angegeben wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mit Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln und weiterhin mit Feststoffpartikeln beladenen mehrphasigen strömenden Flüssigkeit, umfassend die folgenden Schritte:

– Einstrahlung eines Laserstrahls in die Flüssigkeit,
– Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder homogenen sphärischen Gaspartikeln sowie von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln, wobei Partikel beleuchtet werden, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind,
– Auffangen von Streulicht der beleuchteten Partikel unter einem Streuwinkel oder mehreren Streuwinkeln mit einer oder mehreren optischen Einrichtungen,
– defokussierte Abbildung von Ausschnitten der Streufunktion der Partikel auf einem oder mehreren Detektoren, sodass für Partikel Streulichtinformationen erhalten werden,
– kontinuierliche Verarbeitung der Streulichtinformationen mit einer Verarbeitungseinrichtung und Unterscheidung von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln von homogenen sphärischen Partikeln,
– Bestimmung der Größen der homogenen sphärischen Partikeln aus Interferenzmustern,
– Bestimmung von Größenspektren und/oder der Konzentration der homogenen sphärischen Partikel unter Beachtung von größenabhängigen Detektionsvolumina.

A method is given for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing liquid laden with liquid particles and / or gas particles and furthermore with solid particles, comprising the following steps:

Irradiation of a laser beam into the liquid,
Illumination of homogeneous spherical liquid particles and / or homogeneous spherical gas particles as well as of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles, whereby particles are illuminated which are contained along the propagation direction of the laser beam in the liquid,
Collecting scattered light of the illuminated particles at a scattering angle or multiple scattering angles with one or more optical devices,
A defocused image of sections of the scattering function of the particles on one or more detectors, so that scattered light information is obtained for particles,
Continuous processing of the scattered light information with a processing device and differentiation of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles from homogeneous spherical particles,
Determination of the sizes of the homogeneous spherical particles from interference patterns,
Determination of size spectra and / or the concentration of the homogeneous spherical particles taking into account size-dependent detection volumes.

Das Verfahren ist ein Verfahren zur berührungslosen, in-situ Bestimmung der Keimkonzentration, das aufgrund der optischen Konfiguration und der damit zusammenhängenden Signalaufnahme und Verarbeitung wesentliche Vorteile gegenüber anderen optischen Verfahren zur Partikelcharakterisierung hat. The method is a method for non-contact, in-situ determination of the seed concentration, which has significant advantages over other optical methods of particle characterization due to the optical configuration and the associated signal acquisition and processing.

Mit dem Verfahren wird ein berührungsloses, prozessnahes, echtzeitfähiges und kostengünstiges Messverfahren zu Verfügung gestellt. Das Verfahren nutzt in seiner grundlegenden Ausführungsform einen sehr einfachen optischen Aufbau, der nur aus einem Laserstrahl und einer Abbildungsoptik besteht. Im Vergleich zu anderen Verfahren (Phasen Doppler Technik, IPI, Zeitverschiebungstechnik) kann es mit geringen Anschaffungs- und Betriebskostenkosten realisiert werden. Der einfache optische Aufbau bedingt im Vergleich zu anderen Verfahren auch eine einfache Installation, Justage, Handhabung, Anpassung und Wartung sowie einen mechanisch und optisch robusten Aufbau. The method provides a non-contact, process-oriented, real-time-capable and cost-effective measuring method. The method uses in its basic embodiment a very simple optical structure consisting only of a laser beam and an imaging optics. Compared to other methods (phase Doppler technique, IPI, time-shifting technique) it can be realized with low acquisition and operating costs. The simple optical design also requires a simple installation, adjustment, handling, adjustment and maintenance as well as a mechanically and optically robust construction compared to other methods.

Gleichzeitig reduziert sich der Aufwand für die Auswertung gegenüber anderen abbildenden Messtechniken (IPI, Schattenabbildung), da vergleichsweise wenige Partikel pro Abbildung detektiert werden und diese kaum überlappen. Da jedoch das Messvolumen gegenüber Punktmesstechniken (PDA) größer ist, ist die Datenrate höher. Bei höheren Framerate sind kontinuierliche Messungen möglich die Echtzeitanforderungen für die genannten Anwendungen erfüllen. Die Frameraten können in speziellen Ausführungsformen durch Verwendung von Zeilenkameras und FPGAs bis in den oberen kHz-Bereich erhöht werden. At the same time, the expenditure for the evaluation is reduced compared to other imaging measurement techniques (IPI, shadow imaging), since comparatively few particles per image are detected and these barely overlap. However, since the measurement volume is larger than the point measurement techniques (PDA), the data rate is higher. At higher frame rates, continuous measurements are possible to meet the real-time requirements for the applications mentioned. The frame rates can be increased in specific embodiments by using line scan cameras and FPGAs up to the upper kHz range.

Mit dem Verfahren können Partikelgrößen und/oder -Konzentration hoch zeitaufgelöst in einer bewegten, strömenden Flüssigkeit, auch bezeichnet als „Mehrphasenströmung“, dargestellt werden. Sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt, bezeichnet der Begriff „Partikel“ Flüssigkeitspartikel (Flüssigkeitstropfen), Gaspartikel (Gasblasen) und inhomogene und/oder nichtsphärische Feststoffpartikel. Sofern „inhomogene und/oder nichtsphärische Partikel“ genannt sind, so werden diese auch als Feststoffpartikel bezeichnet, insbesondere da Feststoffpartikel im Allgemeinen nichtsphärisch sind. Homogene sphärische Flüssigkeitstropfen oder Gasblasen werden im Folgenden, insbesondere in Bezug auf Kavitation, auch als „Keime“ bezeichnet. Der Begriff „sphärisch“ umfasst sowohl exakt sphärische als auch annähernd sphärische Gas- oder Flüssigkeitspartikel bzw. Keime. With the method, particle sizes and / or concentrations can be displayed highly time-resolved in a moving, flowing liquid, also referred to as "multiphase flow". Unless otherwise stated in the context, the term "particle" refers to liquid particles (liquid droplets), gas particles (gas bubbles) and inhomogeneous and / or non-spherical solid particles. If "inhomogeneous and / or non-spherical particles" are mentioned, they are also referred to as solid particles, in particular since solid particles are generally non-spherical. Homogeneous spherical liquid droplets or gas bubbles are also referred to below as "germs", in particular with regard to cavitation. The term "spherical" includes both exactly spherical and approximately spherical gas or liquid particles or germs.

In einer nachfolgend noch beschriebenen speziellen Ausführungsform können mit dem Verfahren Gasblasen und/oder Flüssigkeitstropfen einerseits und andererseits inhomogene/nichtsphärische Feststoffpartikel in einer Strömung unterschieden werden. Somit können mit dem Verfahren auch Keimkonzentrationen und Keimspektren in blasenbeladenen und/oder tropfenbeladenen Flüssigkeitsströmungen bestimmt werden, die zusätzlich inhomogene/nichtsphärische Feststoffpartikel enthalten. In a specific embodiment which will be described below, the method can be used to distinguish gas bubbles and / or liquid droplets on the one hand and inhomogeneous / non-spherical solid particles in a flow on the other hand. Thus, with the method also germ concentrations and germ spectra in bubble-laden and / or drop-laden liquid flows are determined, which additionally contain inhomogeneous / non-spherical solid particles.

Es können mit dem Verfahren Keimspektren und Keimkonzentrationen in Flüssigkeiten, zur Bestimmung des freien Gasgehaltes des Wassers in Kavitationstunneln oder anderen Blasenströmungen ermittelt werden. Es ist dies auch möglich, wenn zusätzlich in der Strömung Feststoffpartikel vorhanden sind. The method can be used to determine germ spectra and microbial concentrations in liquids, to determine the free gas content of the water in cavitation tunnels or other bubble flows. This is also possible if in addition to the flow of solid particles are present.

Die einfache Geometrie des Detektionsvolumens im Vergleich zu anderen Verfahren begünstigt die Korrektur zur Schätzung von Durchmesserspektren und Konzentrationen. The simple geometry of the detection volume compared to other methods favors the correction for estimating diameter spectra and concentrations.

Weiterhin erlaubt das Messverfahren erstmals eine kontinuierliche, echtzeitfähige, robuste und kostengünstige Messung der Blasen-, Öltropfen- und Feststoffpartikelkonzentration in Flüssigkeitsströmungen. Furthermore, the measurement method allows for the first time a continuous, real-time capable, robust and cost-effective measurement of the bubble, oil drop and solid particle concentration in liquid flows.

Weitere Vorteile des Verfahrens sind auch in der nachfolgenden detaillierten Erläuterung an passender Stelle angegeben. Further advantages of the method are also given in the following detailed explanation at an appropriate location.

Der Begriff „mehrphasige strömende Flüssigkeit“ bezeichnet ein flüssiges Gemisch aus mehreren Phasen. Wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit Flüssigkeitspartikel enthält, bzw. damit beladen ist, so sind innerhalb einer zu einem überwiegenden Volumenanteil vorhandenen ersten Flüssigkeit Partikel (in diesem Fall Tropfen oder Tröpfchen) aus einer zweiten Flüssigkeit verteilt, wobei die erste und die zweite Flüssigkeit nicht mischbar sind. Ein Beispiel ist ein Gemisch aus Öltröpfchen in Wasser. Wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit Gaspartikel enthält, so sind darunter Gasblasen oder Gasbläschen zu verstehen, die innerhalb einer zu einem überwiegenden Volumenanteil vorhandenen ersten Flüssigkeit verteilt sind. The term "multiphase flowing liquid" refers to a liquid mixture of several phases. If the multiphase flowing liquid contains or is laden with liquid particles, particles (in this case drops or droplets) are distributed within a first liquid, which is predominantly in volume, from a second liquid, the first and the second liquid being immiscible , An example is a mixture of oil droplets in water. When the multiphase flowing liquid contains gas particles, it is to be understood as meaning gas bubbles or gas bubbles which are distributed within a first liquid present to a predominant volume fraction.

Grundlage des Verfahrens ist die oben bereits erwähnte Interferometrische Partikel Abbildungs-Messtechnik, abgekürzt als IPI (Interferometric Particle Imaging), die auf G. König, K. et al. zurückgeht. Die IPI Technik basiert auf Glanzpunkten von Laser-bestrahlten homogenen sphärischen oder annähernd sphärischen Partikeln. Ein In-Fokus Bild besteht aus mindestens zwei Glanzpunkten (Reflexion und Brechung erster Ordnung). Wenn der Grad der Defokussierung erhöht wird und die räumliche Auflösung des optischen Systems verringert wird, dann verschmelzen die beiden Glanzpunkte in ein einzelnes defokussiertes Bild mit Interferenzlinien. Bei sphärischen Partikeln, wie Flüssigkeitspartikeln und Gaspartikeln, werden somit Streulichtinformationen in Form eines Interferenzmusters erhalten. Die Anzahl Interferenzstreifen ist eine Funktion des Partikeldurchmessers, des Streuwinkels, des Aperturwinkels, der Wellenlänge der Lichtquelle und des relativen Brechungsindex der Medien, sodass bei Kenntnis aller weiteren Parameter aus dem Interferenzmuster, insbesondere der Anzahl Interferenzstreifen, die Partikelgröße ermittelt werden kann. Bei zusätzlicher Abhängigkeit der Interferenzstruktur vom Brechungsindex kann auch zwischen Flüssigkeitspartikeln und Gasblasen unterschieden werden. Die IPI-Technik ist in Grundlagen erläutert in Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336–350 . Mathematische Hintergründe der IPI Technik sind erläutert in Albrecht et al. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer Verlag. Basis of the method is the above-mentioned interferometric particle imaging measurement technique, abbreviated as IPI (Interferometric Particle Imaging), the on G.King, K. et al. declining. The IPI technique is based on highlights of laser-irradiated homogeneous spherical or nearly spherical particles. An in-focus image consists of at least two highlights (first-order reflection and refraction). As the degree of defocusing is increased and the spatial resolution of the optical system is reduced, the two highlights merge into a single defocused image with interference lines. In the case of spherical particles, such as liquid particles and gas particles, scattered light information in the form of an interference pattern is thus obtained. The number of interference fringes is a function of the particle diameter, the scattering angle, the aperture angle, the wavelength of the light source and the relative refractive index of the media, so that knowing all other parameters from the interference pattern, in particular the number of interference fringes, the particle size can be determined. With additional dependence of the interference structure of the refractive index can be distinguished between liquid particles and gas bubbles. The IPI technique is explained in Basics in Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336-350 , Mathematical backgrounds of the IPI technique are explained in Albrecht et al. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer Verlag.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein kohärenter Laserstrahl in das Messvolumen, auch bezeichnet als“ Messbereich“, der Flüssigkeit eingestrahlt. Dadurch erfolgt eine Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder homogenen sphärischen Gaspartikeln sowie von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln in dem Messvolumen, wobei Partikel beleuchtet werden, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind. Dies hat eine Reihe von nachfolgend genannten Vorteilen. In the method according to the invention, a coherent laser beam is irradiated into the measuring volume, also referred to as "measuring range", of the liquid. This results in an illumination of homogeneous spherical liquid particles and / or homogeneous spherical gas particles as well as inhomogeneous and / or non-spherical solid particles in the measurement volume, wherein particles are illuminated, which are contained along the propagation direction of the laser beam in the liquid. This has a number of advantages listed below.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Partikel entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beleuchtet. Gegenüber den üblichen IPI-Verfahren wird jedoch kein Laserlichtschnitt (light sheet) zur Beleuchtung einer größeren Ebene/Fläche oder eines größeren Volumens generiert. Mit einem eng lokalisierten Laserstrahl wird nur ein Teil der strömenden Flüssigkeit linienhaft beleuchtet. Der Laserstrahl weist einen geringen Querschnitt im Vergleich zu einer gedachten Schnittfläche durch die Strömung auf. Es wird nur auf einen Teil einer gedachten Schnittfläche durch die Strömung lokal eingestrahlt, wobei sich der Laserstrahl durch die Strömung hindurch ausbreitet, und wobei die Ausbreitungsrichtung beliebig zur Strömungsrichtung orientiert sein kann. Weiterhin werden vergleichsweise nur wenige Partikel entlang des Laserstrahls beleuchtet und im Vergleich zu zweidimensionalen Messtechniken kann die Anzahl der beleuchteten Partikel erheblich reduziert werden. Dies schlägt sich direkt in einer stark reduzierten Überlappung der Partikelabbildungen nieder, was wiederum höhere Partikelkonzentrationen erlaubt und eine vereinfachte Auswertung bedingt. Durch die vereinfachte Auswertung kann eine hohe Zeitauflösung erzielt werden. In the method according to the invention, a plurality of particles are illuminated along the propagation direction of the laser beam. Compared to the usual IPI methods, however, no laser light section (light sheet) is generated to illuminate a larger plane / area or a larger volume. With a closely localized laser beam, only part of the flowing liquid is illuminated linearly. The laser beam has a small cross-section compared to an imaginary sectional area through the flow. It is locally irradiated only on a part of an imaginary sectional area through the flow, wherein the laser beam propagates through the flow, and wherein the propagation direction can be arbitrarily oriented to the flow direction. Furthermore, comparatively few particles are illuminated along the laser beam and compared to two-dimensional measurement techniques, the number of illuminated particles can be significantly reduced. This is reflected directly in a greatly reduced overlap of the particle images, which in turn allows higher particle concentrations and requires a simplified evaluation. Due to the simplified evaluation, a high time resolution can be achieved.

Nachfolgend wird das Verfahren in seinen einzelnen Aspekten beschrieben: The following describes the method in its individual aspects:

Beleuchtungsquelle/Sender: Illumination source / transmitter:

Die Beleuchtung kann eine Dauerstrichbeleuchtung sein. Die Wellenlänge hängt dabei von der Verfügbarkeit von Arraydetektoren für die entsprechend genutzte Wellenlänge ab und geht im Allgemeinen vom Infrarot- bis und den UV-Bereich. Die Begriffe „Licht“ und „Beleuchtung“ umfassen somit in dieser Erfindung auch den IR- und UV-Bereich. Als Lichtquelle können beispielsweise kostengünstige Dauerstrichlaser verwendet werden, da die Streulichtintensität aufgrund der starken Fokussierung auch bei kurzen Belichtungszeiten des Sensors ausreichend ist. Die Dauerstrichlaser ermöglichen ebenfalls hohe Bildwiederholraten (> 1kHz), die nur von spezifischen Pulslasern realisiert werden können. Alternativ kann zum Beispiel eine Pulsbeleuchtung mittels auch Pulslaser eingesetzt werden. The lighting can be a continuous-wave lighting. The wavelength depends on the availability of array detectors for the corresponding wavelength used, and is generally from the infrared to the UV range. The terms "light" and "illumination" thus also encompass the IR and UV ranges in this invention. For example, cost-effective continuous wave lasers can be used as the light source, since the scattered light intensity is sufficient even with short exposure times of the sensor due to the strong focus. The continuous wave lasers also allow high refresh rates (> 1kHz), which can only be realized by specific pulse lasers. Alternatively, for example, a pulse illumination by means of pulsed laser can be used.

Durch die Nutzung eines einfachen symmetrischen Strahlprofils kann die Optik zur Laserstrahlanpassung sehr einfach gestaltet werden oder sogar entfallen. Dies reduziert den Justageaufwand, den apparativen Aufwand und Hardwarekosten erheblich. Der Laser wird im Idealfall direkt in den Messbereich eingestrahlt, was im Hinblick auf die oben diskutierten Messtechniken dem einfachsten Aufbau entspricht. By using a simple symmetrical beam profile, the optics for laser beam adjustment can be made very simple or even eliminated. This reduces the adjustment effort, the equipment and hardware costs considerably. The laser is ideally irradiated directly into the measuring range, which corresponds to the simplest structure with regard to the measuring techniques discussed above.

Da die Intensitätsverteilung eines mono-modigen Laserstrahls sehr gut mittels einer Gaußverteilung beschrieben werden kann, ist die Bestimmung des Detektionsvolumens zur Korrektur der Durchmesserspektren sehr verlässlich. Since the intensity distribution of a mono-mode laser beam can be described very well by means of a Gaussian distribution, the determination of the detection volume for correcting the diameter spectra is very reliable.

In einer Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Laserstrahlen in verschiedene Messvolumina der Flüssigkeit eingestrahlt. Es handelt sich dabei vorzugsweise um zwei oder mehr Laserstrahlen gleicher Wellenlänge aber unterschiedlicher Position und/oder Ausbreitungsrichtung. Vorzugsweise wird der Abstand der Laserstrahlen voneinander so gewählt, dass sich defokussierte Abbildungen von unterschiedlichen Strahlen nicht oder kaum überlappen, wodurch die bereits genannten Vorteile des Verfahren erhalten bleiben. Mit dieser Ausführungsform werden die Anzahl der abgebildeten Partikel und damit die Datenrate erhöht. In one embodiment of the method, a plurality of laser beams are irradiated into different measurement volumes of the liquid. It is preferably two or more laser beams of the same wavelength but different position and / or propagation direction. Preferably, the distance of the laser beams from each other is chosen so that defocused images of different beams do not overlap or hardly overlap, whereby the already mentioned advantages of the method are retained. With this embodiment, the number of imaged particles and thus the data rate are increased.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden zwei oder mehr überlagerte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge eingestrahlt. Der Begriff „überlagert“ bedeutet, dass die zwei oder mehr Laserstrahlen eine unterschiedliche Wellenlänge aber eine gleiche Ausbreitung haben. Eine örtliche Überlagerung ist dabei nicht zwingend notwendig, aber vorteilhaft da die gleichen Partikel beleuchtet werden. Werden statt monochromatischem Laserlicht, zwei oder mehr überlagerte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet, wird für jede Laserwellenlänge jeweils eine Streulichtverteilung von denselben Partikeln generiert, die auf der Empfangsseite mittels optischer Farbfilter, mittels Zeitmultiplex oder mittels Frequenzanalyse des Bildes getrennt werden können. Als Beispiel sei hier angegeben, dass eine RGB Kamera gleichzeitig drei Streufunktionen für drei Wellenlängen separat erfassen kann. In a further embodiment of the method, two or more superposed laser beams of different wavelengths are irradiated. The term "superimposed" means that the two or more laser beams have a different wavelength but an equal spread. A local overlay is not mandatory, but advantageous because the same particles are illuminated. If, instead of monochromatic laser light, two or more superposed laser beams of different wavelengths are used, a scattered light distribution of the same particles is generated for each laser wavelength, which can be separated on the receiving side by means of optical color filters, by time division multiplexing or by frequency analysis of the image. As an example, it should be noted that an RGB camera can simultaneously detect three scatter functions for three wavelengths separately.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl, oder mehrere Laserstrahlen (sofern mehrere Laserstrahlen verwendet werden) an die Messaufgabe bzw. die Partikelkonzentration angepasst aufgeweitet. Dies kann zum Beispiel eine symmetrische Aufweitung des Strahls zur Vergrößerung des Strahldurchmessers sein, was mit einer Optik nach dem Laser erfolgt. Auch unsymmetrische Strahlaufweitungen sind möglich. Hier ist darauf zu achten, dass nicht wie bei der Laserlichtschnittebeleuchtung, mehrere Partikel in Aufweitungsrichtung beleuchtet werden, da dadurch die vorteilhaften Eigenschaften der reduzierten Partikelanzahl und reduzierten Überlappung der defokussierten Abbildungen verlorengeht. In a further embodiment, the laser beam, or a plurality of laser beams (if a plurality of laser beams are used) is widened to match the measurement task or the particle concentration. This can be, for example, a symmetrical expansion of the beam to increase the beam diameter, which is done with an optical system after the laser. Also asymmetrical beam expansions are possible. Here, care must be taken not to illuminate several particles in the widening direction, as in the case of laser light-section illumination, as this will lose the advantageous properties of the reduced particle number and reduced overlap of the defocused images.

In noch einer weiteren Ausführungsform entstammen der Laserstrahl, oder mehrere verwendete Laserstrahlen, aus einer Vorrichtung, welche in einem anderen, laserbasierten Messverfahren einsetzbar ist. Insbesondere entstammen der Laserlichtstrahl, oder mehrere verwendete Laserstrahlen, aus einem anderen, parallel verwendeten Messverfahren. In dieser Ausführungsform wird die Streuung von Laserstrahlen anderer Messtechniken auch für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt. Wird beispielsweise die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung mittels Laser-Doppler-Technik bestimmt, werden hierfür mindestens zwei sich kreuzende Laserstrahlen in den Messbereich fokussiert, die außer für die Geschwindigkeitsmessung auch im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Partikelgrößen und -Konzentrationen genutzt werden. Damit kann der Hardwareaufwand noch weiter reduziert werden. In einer speziellen Variante wird als das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Laser-Doppler-Verfahren kombiniert. In yet another embodiment, the laser beam, or multiple laser beams used, originate from a device that can be used in another laser-based measurement method. In particular, the laser light beam or several laser beams used originate from another measuring method used in parallel. In this embodiment, the scattering of laser beams of other measuring techniques is also used for the method according to the invention. If, for example, the speed of the liquid flow is determined by means of the laser Doppler technique, at least two intersecting laser beams are focused into the measuring range, which are used not only for the speed measurement but also in the sense of the method according to the invention for the determination of particle sizes and concentrations. Thus, the hardware cost can be further reduced. In a special variant, the method according to the invention is combined with a laser Doppler method.

Detektor detector

Die unter einem spezifischen Streulichtwinkel positionierte Empfangsoptik bildet die Streuung mittels einer Optik defokussiert auf einen mehrdimensionalen Detektor ab. The receiving optics positioned under a specific scattered light angle images the scattering by means of an optic, focused on a multidimensional detector.

Der spezifische Streulichtwinkel der Detektoren wird in Abhängigkeit vom relativen Brechungsindex m zwischen Flüssigkeit und Keimen (homogene und sphärische Partikel) gewählt. Eine monotone Beziehung zwischen Interferenzstreifenanzahl (Anzahl der Streulichtkeulen) bzw. örtlicher Streifenfrequenz und Keimdurchmesser ist nur für zwei dominante Glanzpunkte gegeben. Diese können entweder für einen Laserstrahl durch zwei Streulichtordnungen, z.B. Brechung und Reflexion, oder durch zwei Laserstrahlen und eine dominante Streulichtordnung generiert werden. Sind mehr als zwei Glanzpunkte am Entstehen der aufgenommenen Streufunktion beteiligt, entstehen zusätzlich redundante Frequenzen in der Abbildung. Soweit diese über eine entsprechende Signalverarbeitung quantifiziert werden können, können die zusätzlichen Frequenzen zur Validierung, Stoffunterscheidung oder Messbereichserweiterung genutzt werden. In Albrecht et al 2003 und Damaschke et al. 2005 finden sich eine ausführliche Diskussion und Auslegungsrichtlinien für die Positionierung des Detektors in Abhängigkeit von den gewünschten Interferenzstrukturen So beträgt der Streulichtwinkel, der Winkel zwischen eingestrahltem Licht und gestreutem Licht, beispielsweise für Luftblasen in Wasser, vorzugsweise etwa 80 bis etwa 120°, da hier nur zwei Streulichtordnungen dominieren, mehr bevorzugt 80° bis 90°, da in diesem Bereich auch die Streulichtintensität größer ist als im Bereich 90° bis 120°The specific scattered light angle of the detectors is selected as a function of the relative refractive index m between the liquid and the nuclei (homogeneous and spherical particles). A monotonic relationship between the number of interference fringes (number of scattered light lobes) and local fringe frequency and seed diameter is given only for two dominant highlights. These can be either for a laser beam by two stray light orders, eg refraction and reflection, or by two laser beams and a dominant stray light order to be generated. If more than two highlights are involved in the occurrence of the recorded scatter function, additional redundant frequencies occur in the image. Insofar as these can be quantified by appropriate signal processing, the additional frequencies can be used for validation, substance differentiation or measuring range extension. In Albrecht et al. 2003 and Damaschke et al. 2005 There is a detailed discussion and design guidelines for the positioning of the detector as a function of the desired interference structures Thus, the scattered light angle, the angle between irradiated light and scattered light, for example, for air bubbles in water, preferably about 80 to about 120 °, since only two Stray light orders dominate, more preferably 80 ° to 90 °, since in this range, the scattered light intensity is greater than in the range 90 ° to 120 °

Der Grad der Defokussierung wird vorzugsweise so gewählt, dass die Partikelabbildungen nicht zu stark für die Auswertung überlappen aber auch nicht zu klein für die Analyse der Streufunktionen sind und dass das Signal für die folgende Signalverarbeitung ausreichend intensiv ist. Astigmatische Linsen können in der Optik zur besseren Lokalisierung und Helligkeits- und Kontrastverbesserung der defokussierten Abbildung eingesetzt werden. The degree of defocusing is preferably selected such that the particle images do not overlap too much for the evaluation but are also not too small for the analysis of the scattering functions and that the signal is sufficiently intense for the following signal processing. Astigmatic lenses can be used in optics for better localization and brightness and contrast enhancement of the defocused image.

Zur Detektion wird gemäß einer Variante ein zweidimensionaler Detektor, z.B. ein Charge Coupled Device – CCD, ein Complementary Metal Oxide Semiconductor – CMOS, oder ein Smart-Pixel-Array, eingesetzt. Die defokussierten Abbildungen können aufgenommen und zur Weiterverarbeitung übertragen werden. For detection, according to a variant, a two-dimensional detector, e.g. a Charge Coupled Device - CCD, a Complementary Metal Oxide Semiconductor - CMOS, or a Smart Pixel Array. The defocused images can be recorded and transferred for further processing.

Aufgrund der linienförmigen Beleuchtung mittels des Laserstrahls kann auch nur ein Ausschnitt des Sensors (Aktivierung einer ROI, region of interest) genutzt werden. Dies ermöglicht höhere Frameraten und damit höhere Datenraten, welche für eine kontinuierliche Prozessüberwachung notwendig sind. Due to the linear illumination by means of the laser beam, only a section of the sensor (activation of an ROI, region of interest) can be used. This enables higher frame rates and thus higher data rates, which are necessary for continuous process monitoring.

In einer weiteren Verfahrensvariante ist der Detektor ein eindimensionaler Detektor, beispielsweise eine CCD-Zeile, CMOS-Zeile, oder Photodiodenzeile. Damit wird nur ein eindimensionaler Teil der Streufunktion aufgenommen. Dies entspricht quasi nur einer Pixelzeile oder einem eindimensionalen Ausschnitt des zweidimensionalen Sensors. Vorzugsweise wird der eindimensionale Detektor senkrecht zu den Interferenzstreifen der homogenen sphärischen Partikel und damit parallel zur Laserstrahlausbreitung ausgerichtet, da so die Anzahl bzw. Frequenz der Interferenzstreifen für homogene sphärische Partikel bestimmt werden kann. Vorteil der Verwendung von 1D-Sensoren sind die höheren Frameraten und damit größere Partikeldichten. In a further variant of the method, the detector is a one-dimensional detector, for example a CCD line, CMOS line or photodiode line. This will only record a one-dimensional part of the scatter function. This corresponds to virtually only one row of pixels or a one-dimensional section of the two-dimensional sensor. Preferably, the one-dimensional detector is aligned perpendicular to the interference fringes of the homogeneous spherical particles and thus parallel to the laser beam propagation, as this way the number or frequency of the interference fringes for homogeneous spherical particles can be determined. The advantage of using 1D sensors is the higher frame rates and thus larger particle densities.

Als Erweiterung eines eindimensionalen Sensors ist der Einsatz zwei oder mehrerer paralleler Einzelsensoren möglich, die sowohl auf einem einzigen Chip integriert sein können als auch unabhängig voneinander aufgebaut sein können. Die Sensoren können einerseits auf verschiedene Laserstrahlen ausgerichtet sein. Andererseits können die Sensoren auch mittels optischer Filter sensitiv für unterschiedliche Wellenlängen oder Polarisationen und damit für unterschiedliche Streufunktionen ein und derselben Partikel sein. Hierfür werden, wie oben beschrieben, mehrere Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge oder Polarisation eingestrahlt, die den gleichen Strahlengang im Messbereich aufweisen. In diesem Fall werden Detektoren eingesetzt, welche die Wellenlängen separieren. As an extension of a one-dimensional sensor, the use of two or more parallel individual sensors is possible, which can be integrated both on a single chip and can be constructed independently of each other. On the one hand, the sensors can be aligned with different laser beams. On the other hand, the sensors can also be sensitive to different wavelengths or polarizations and thus to different scattering functions of one and the same particle by means of optical filters. For this purpose, as described above, several laser beams of different wavelengths or polarization are irradiated, which have the same beam path in the measuring range. In this case, detectors are used which separate the wavelengths.

Die winkelabhänge Beziehung zwischen Partikeldurchmesser und Streufunktion kann mit allgemein verfügbaren Programmen zur Berechnung der Mie-Streuung bestimmt werden. The angle-dependent relationship between particle diameter and scatter function can be determined with commonly available programs for calculating Mie scattering.

Signalaufnahme und Verarbeitung Signal recording and processing

Die Daten der Detektoren werden vorzugsweise mittels einer Elektronik und/oder Software kontinuierlich ausgelesen und verarbeitet. Die Verarbeitung kann sowohl mittels eines Computers, eines digitalen Signalprozessors (DSPs), eines Mikrokontrollers oder eines FPGA erfolgen, im Folgenden zusammenfassend „Controller“ genannt. An den Controller werden die Bilddaten übermittelt, und der Bilddatenstrom kann direkt analysiert werden. Hieraus ergeben sich je nach Controller-Eigenschaften die Echtzeitvorteile des Systems. The data of the detectors are preferably continuously read out and processed by means of electronics and / or software. The processing can take place either by means of a computer, a digital signal processor (DSP), a microcontroller or an FPGA, collectively referred to as "controller". The image data is transmitted to the controller and the image data stream can be analyzed directly. This results in the real-time advantages of the system depending on the controller characteristics.

Da durch die Laserstrahlbeleuchtung die Partikelüberlappung reduziert wird und nur ein vergleichsweise kleiner Bildstreifen, bzw. nur eine Zeile im Falle von eindimensionalen Detektoren, ausgewertet werden muss, ist im Vergleich zu zweidimensionalen IPI-Messtechniken die Hardware und Software in der Lage, kontinuierlich und in Echtzeit die Daten zu verarbeiten. Bei zweidimensionalen IPI-Techniken liegt die Auswertezeit bei Nutzung von PCs für ein Einzelbild mit hundert Partikeln im Sekundenbereich, da eine umfangreiche Bildverarbeitung notwendig ist. Mit dem vorliegenden Verfahren können, in Abhängigkeit vom Sensor, Frameraten angefangen von einigen 10Hz (Standard CCD Arrays) bis in den mittleren kHz Bereich (CCD-Zeilen und FPGAs) kontinuierlich generiert und verarbeitet werden. Erst damit wird es möglich, ausreichend viele Partikel zu charakterisieren um mittels einer umfangreicheren Statistik die Keimkonzentration in kurzer Zeit verlässlich schätzen zu können. Since laser beam illumination reduces particle overlap and requires only a comparatively small image strip, or only one line in the case of one-dimensional detectors, the hardware and software are capable of continuous and real-time comparison to two-dimensional IPI measurement techniques to process the data. In two-dimensional IPI techniques, the evaluation time when using PCs for a single image with one hundred particles is in the range of seconds since extensive image processing is necessary. Depending on the sensor, frame rates ranging from a few 10 Hz (standard CCD arrays) to mid-range (CCD lines and FPGAs) can be continuously generated and processed with the present method. Only then will it be possible to characterize enough particles to be able to reliably estimate the germ concentration in a short time by means of more comprehensive statistics.

Das Messvolumen des Verfahrens entspricht andererseits dem gesamten beobachteten Teil des Laserstrahls. Wie bereits erwähnt, werden in dem Verfahren Partikel beleuchtet, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind. Im Vergleich zu Punktmesstechniken (z.B. Phasen-Doppler-Technik) ist dieses Messvolumen sehr groß, womit mehr Partikel pro Zeit analysiert werden können als bei Punktmesstechniken. Um die Datenrate an die Auswertung anzupassen kann die Anzahl der zu beobachtenden Partikel über die Auflösung der Kamera und/oder die Aufweitung des Laserstrahls sehr einfach eingestellt werden. On the other hand, the measurement volume of the method corresponds to the entire observed part of the laser beam. As already mentioned, in the method particles are illuminated which are contained along the propagation direction of the laser beam in the liquid. Compared to point measuring techniques (eg phase Doppler technique), this measurement volume is very large, which means that more particles can be analyzed per time than with point measurement techniques. In order to adapt the data rate to the evaluation, the number of particles to be observed via the resolution of the camera and / or the widening of the laser beam can be set very easily.

Separation von Partikeln und Größenschätzung der Keime Separation of particles and size estimation of the germs

In dem Verfahren wird eine mehrphasige strömende Flüssigkeit vermessen, die zusätzlich zu den Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln (Keime) nicht-sphärische und/oder inhomogene Partikel (Feststoffpartikel) enthält, wobei die Flüssigkeitspartikel/Gaspartikel und die Feststoffpartikel unterschiedliche Streulichtinformationen erzeugen, und bei der Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration der Flüssigkeitspartikel/Gaspartikel die Feststoffpartikel unberücksichtigt bleiben. In the method, a multiphase flowing liquid is measured, which contains in addition to the liquid particles and / or gas particles (nuclei) non-spherical and / or inhomogeneous particles (solid particles), wherein the liquid particles / gas particles and the solid particles produce different scattered light information, and in the Determining the sizes and / or the concentration of the liquid particles / gas particles the solid particles are disregarded.

Das Verfahren kann Feststoffpartikel und Keime bei der Auswertung trennen. Andere Messtechniken können Feststoffe und Keime nur statistisch separieren. Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit einer quantitativen echtzeitfähigen Keimkonzentrationsmessung, beispielsweise in Kavitationskanälen oder zur Ölkonzentrationsmessung in öltropfenbeladenen Strömungen, zur Prozessüberwachung. The process can separate solid particles and seeds during the evaluation. Other measuring techniques can only separate solids and germs statistically. This results for the first time in the possibility of a quantitative real-time capable germ concentration measurement, for example in cavitation channels or for oil concentration measurement in oil-droplet-laden flows, for process monitoring.

Die Signalverarbeitung ist darauf eingerichtet, die Größe von homogenen und sphärischen Partikels (Keime) zu schätzen und zusätzlich auch nichtsphärische und/oder inhomogene Partikel (Feststoffpartikel) zu detektieren. Bei der Auswertung wird zwischen Flüssigkeitspartikeln/Gaspartikeln und Feststoffpartikeln unterschieden und es können getrennt von störenden Einflüssen durch Feststoffpartikel nur die erwünschten Messergebnisse für Flüssigkeitspartikel und Gaspartikel erhalten werden. Störende Signale von Feststoffpartikeln bleiben unberücksichtigt, können aber auch für eine Größenbestimmung der Feststoffpartikel genutzt werden, wie unten angegeben. The signal processing is designed to estimate the size of homogeneous and spherical particles (nuclei) and also to detect non-spherical and / or inhomogeneous particles (solid particles). In the evaluation, a distinction is made between liquid particles / gas particles and solid particles and it can be obtained separately from interfering influences by solid particles only the desired measurement results for liquid particles and gas particles. Disturbing signals from solid particles are ignored, but can also be used to size the solid particles as indicated below.

Typischerweise ist bei einer Flüssigkeit, die zusätzlich zu den Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln auch Feststoffpartikel enthält, die Feststoffpartikelkonzentration wesentlich größer als die Keimkonzentration, beispielsweise in Kavitationskanälen oder bei verunreinigtem Wasser. Bei Auswertung aller Partikel würde das Keimspektrum der Blasen und Tropfen im Rauschen der Feststoffpartikelverteilung untergehen und nicht mehr detektierbar sein. Im Ergebnis würde die Keimkonzentrationsschätzung verfälscht. Typically, in a liquid which also contains solid particles in addition to the liquid particles and / or gas particles, the solid particle concentration is substantially greater than the seed concentration, for example in cavitation channels or contaminated water. Upon evaluation of all particles, the germ spectrum of the bubbles and droplets would perish in the noise of the solid particle distribution and would no longer be detectable. As a result, the germ concentration estimate would be falsified.

Vorteil des Verfahrens ist, dass dabei zwischen den Partikel-Klassen unterschieden werden kann und jedem einzelnen Partikel eine Klasse zugeordnet werden kann. D.h. es kann unterschieden werden, ob es sich um einen (annähernd) radialsymmetrischen, sphärischen Flüssigkeits- oder Gaspartikel, oder stattdessen um einen Feststoffpartikel handelt. Advantage of the method is that it can be distinguished between the particle classes and each class a particle can be assigned. That it can be distinguished whether it is an (approximately) radially symmetric, spherical liquid or gas particle, or instead a solid particle.

Homogene sphärische Partikel generieren auf dem Detektor ein Interferenzstreifenmuster welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist (2a), da die signalwirksamen Glanzpunkte alle in der Streuebene liegen. Homogene sphärische Partikel können demnach anhand der einheitlichen Ausrichtung der Interferenzstreifen senkrecht zur Laserstrahlausbreitung klassifiziert werden. Homogeneous spherical particles generate on the detector an interference fringe pattern which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam ( 2a ), since the high-definition highlights are all in the scattering plane. Homogeneous spherical particles can therefore be classified on the basis of the uniform orientation of the interference fringes perpendicular to the laser beam propagation.

Liegen nur homogene sphärische Tropfen oder homogene sphärische Gasblasen vor wird typischerweise ein Streulichtwinkel gewählt, bei dem nur zwei Streulichtordnungen bzw. zwei Glanzpunkte bezüglich der Intensität dominieren. Damit ergibt sich ein periodisches Interferenzstreifensystem. If only homogeneous spherical droplets or homogeneous spherical gas bubbles are present, a scattered light angle is typically selected in which only two stray light orders or two highlights dominate with respect to intensity. This results in a periodic interference fringe system.

Sind in einer Strömung sowohl Flüssigkeitstropfen als auch Gasblasen vorhanden und sollen diese durch das Verfahren unterschieden werden wird ein Streulichtwinkel ausgewählt für den sich die Streifen in den defokussierten Abbildungen für Tropfen und Blasen unterscheiden. Dies kann entweder bei einem Laserstrahl über weitere Glanzpunkte und damit weitere periodische Anteile im Interferenzstreifensystem erfolgen (siehe Damaschke et al. 2005 ) oder über den Vergleich der Streufunktionen verschiedener Laserstrahlen die sich hinsichtlich Wellenlänge oder Polarisation unterscheiden. If both liquid drops and gas bubbles are present in a flow and if these are to be distinguished by the method, a scattered light angle is selected for which the stripes in the defocused images differ for drops and bubbles. This can be done either with a laser beam over other highlights and thus more periodic shares in the interference fringe system (see Damaschke et al. 2005 ) or by comparing the scattering functions of different laser beams that differ in terms of wavelength or polarization.

Die Glanzpunkte von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) sind dagegen willkürlich auf der Oberfläche verteilt oder der gesamte Partikel / die gesamte Partikeloberfläche streut das einfallende Licht diffus. Im ersteren Fall wird Streulichtinformation in Form eines schrägen Interferenzstreifensystems (2b), welches auch nichtperiodisch sein kann, erhalten. Im zweiten Fall wird Streulichtinformation in Form von Speckles (Flecken) erhalten (2c, 2d). Kleine Specklestrukturen (2c) werden dabei von vergleichsweise großen Partikeln und große Specklestrukturen von vergleichsweise kleinen Partikeln (2d) generiert. In einer speziellen Variante wird somit auch ein Verfahren angegeben, bei dem auch die Größe von Feststoffpartikeln anhand ihrer Streulichtinformationen bestimmt oder abgeschätzt wird. In contrast, the highlights of inhomogeneous and / or non-spherical particles (solid particles) are randomly distributed on the surface, or the entire particle / the entire particle surface diffuses the incident light diffusely. In the former case scattered light information in the form of an oblique interference fringe system ( 2 B ), which may also be non-periodic. In the second case, scattered light information is obtained in the form of speckles (spots) ( 2c . 2d ). Small speckle structures ( 2c ) are characterized by comparatively large particles and large speckle structures of comparatively small particles ( 2d ) generated. In a special variant, a method is thus also specified in which the size of solid particles is also determined or estimated on the basis of their scattered light information.

Die Signalverarbeitung analysiert die Struktur der Abbildungen. Bei dominanten, senkrecht zur Laserausbreitungsrichtung ausgerichteten, periodischen Strukturen wird anhand der Bildfrequenz bzw. der Streifenanzahl in der defokussierten Abbildung und der geometrischen Anordnung die Keimgröße geschätzt. Eine weitere Auswertung hinsichtlich mehrerer überlagerter Streifensysteme kann zur Unterscheidung von Blasen und Tropfen herangezogen werden The signal processing analyzes the structure of the images. In the case of dominant periodic structures oriented perpendicular to the laser propagation direction, the nuclei size is estimated on the basis of the image frequency or the number of stripes in the defocused image and the geometric arrangement. A further evaluation with regard to several superimposed strip systems can be used to differentiate between bubbles and drops

Die Auswertung, Separation und Parameterschätzung kann im Originalbereich, im Bildfrequenzbereich, im Korrelationsbereich oder mittels mustererkennender Bildverarbeitungsverfahren/Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen. Im Falle von 1D Detektoren wird jeweils nur ein Schnitt durch die zweidimensionale Streufunktion analysiert. The evaluation, separation and parameter estimation can take place in the original range, in the image frequency range, in the correlation range or by pattern recognizing image processing methods / image processing algorithms. In the case of 1D detectors, only one slice is analyzed by the two-dimensional scattering function.

Im Originalbereich können typischerweise die Anzahl und Größen der Intensitätsmaxima bestimmt werden, deren Zahl ein Maß für die Partikelgröße ist. Die Streifenanzahl in den defokussierten Abbildungen ist proportional der Frequenz der Streifen. Demnach können die defokussierten Abbildungen auch hinsichtlich Ihrer Frequenz im Bildfrequenzbereich analysiert werden. Hierfür können spektrale Schätzverfahren, wie die Fourier-Transformation, die Hilbert-Transformation, Wavelets oder die Wigner-Wille Transformation eingesetzt werden. Eine Periodizitätsschätzung bzw. Streifenabstandsschätzung ist auch im Korrelationsbereich, z.B. über die Autokorrelation, möglich. In the original domain, typically the number and sizes of intensity maxima can be determined, the number of which is a measure of the particle size. The number of stripes in the defocused pictures is proportional to the frequency of the stripes. Accordingly, the defocused images can also be analyzed for their frequency in the image frequency range. For this purpose, spectral estimation methods, such as Fourier transformation, Hilbert transformation, wavelets or Wigner-Wille transformation can be used. A periodicity estimate is also in the correlation range, e.g. about the autocorrelation, possible.

Aus der Streifenanzahl, der Streifenfrequenz und/oder dem Streifenabstand bestimmt das Verfahren den Durchmesser der homogenen und sphärischen Blasen und/oder Flüssigkeitstropfen. Die Proportionalität oder der Zusammenhang kann mittels allgenmeine verfügbaren Streulichtprogrammen (siehe Albrecht et al. 2003 ) berechnet werden. The method determines the diameter of the homogeneous and spherical bubbles and / or liquid drops from the number of strips, the strip frequency and / or the strip spacing. The proportionality or the relationship can be determined by means of general available scattered light programs (see Albrecht et al. 2003 ) be calculated.

Die Separation von homogenen sphärischen Partikeln von inhomogenen/nichtsphärischen erfolgt bei dem Verfahren anhand der defokussierten Abbildungen. Liegt keine senkrecht zur Laserstrahlausbreitung orientiert periodische Struktur vor, klassifiziert das Verfahren die Partikel als nichtsphärisch/inhomogen. Auch diese Auswertung kann im Originalbereich, im Bildfrequenzbereich und im Korrelationsbereich erfolgen. Für die Feststoffpartikel (2b, 2c, 2d) kann das Verfahren aus der minimalen Streifenfrequenz bzw. dem Abfall der Autokorrelationsfunktion das integrale Längenmaß und damit eine maximale Ausdehnung der Partikel bestimmen. The separation of homogeneous spherical particles from inhomogeneous / non-spherical is carried out in the method based on the defocused images. If there is no periodic structure oriented perpendicular to the laser beam propagation, the method classifies the particles as non-spherical / inhomogeneous. This evaluation can also take place in the original range, in the image frequency range and in the correlation range. For the solid particles ( 2 B . 2c . 2d ), the method can determine the integral length dimension and thus the maximum expansion of the particles from the minimum strip frequency or the fall of the autocorrelation function.

Neben einfachen klassischen Signalverarbeitungsverfahren können auch Musterschätzverfahren und Verfahren zu Bildvor- und Bildbachbearbeitung zum Einsatz kommen. Es kann beispielsweise ein Algorithmus mit einem oder mehreren der folgenden Schritte angewandt werden:

– Kontrasterhöhung, beispielsweise wie angegeben in Short et al, A Comparison of Photometric Normalisation Algorithms for Face Verification, Sixth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG'04)Seoul, Korea ISBN: 0-7695-2122-3
– Hintergrundentfernung durch Morphologie
– Morphologie zur Entfernung von Sinuslinien
– Schwellenwertberechnung, beispielsweise durch Otsu‘s Algorithmus oder durch manuelle Eingabe des Schwellenwertes
– Optionaler Wasserscheiden-Algorithmus zur Separierung überlappender Partikel
– Canny-Kantenerkennung an dem binarisierten Bild
– Objekt Detektion, z.B. mit Suzuki & Abe Algorithmus ( S. Suzuki, K. Abe. (1985) "Topological structural analysis of digital binary image by border following" CVGIP 30(l): 32–46 )
– Filtern der erkannten Objekte nach vorgegebenen Parameter wie z.B. dem Flächeninhalt, dem Verhältnis von Länge zu Breite und der Länge des Umfanges um falsch erkannte Objekte zu detektieren und aus der Berechnung zu entfernen In der Signalverarbeitung werden vorzugsweise Häufigkeitshistogramme der analysierten Partikelgrößen generiert.

In addition to simple classical signal processing methods, pattern estimation methods and methods for image pre-processing and image processing can also be used. For example, an algorithm may be used with one or more of the following steps:

Contrast increase, for example as indicated in Short et al, A Comparison of Photometric Normalization Algorithms for Face Verification, Sixth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG'04) Seoul, Korea ISBN: 0-7695-2122-3
Background removal by morphology
- Morphology for the removal of sinus lines
Threshold calculation, for example by Otsu's algorithm or by manually entering the threshold
- Optional watershed algorithm for separating overlapping particles
- Canny edge detection on the binarized image
- object detection, eg with Suzuki & Abe algorithm ( S. Suzuki, K. Abe. (1985) "Topological structural analysis of digital binary image by border following" CVGIP 30 (l): 32-46 )
- Filter the detected objects according to predetermined parameters such as the surface area, the ratio of length to width and the length of the circumference to detect false objects detected and removed from the calculation in the signal processing preferably frequency histograms of the analyzed particle sizes are generated.

Das Verfahren kann demnach Keime (homogene sphärische Blasen und Tropfen) und Feststoffpartikel (inhomogene/nichtsphärische Partikel) bei der Auswertung einzeln trennen. Andere Messtechniken können Feststoffe und Keime nur statistisch separieren. Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit einer quantitativen echtzeitfähigen Keimkonzentrationsmessung, beispielsweise in Kavitationskanälen, zur Prozessüberwachung. Accordingly, the method can individually separate seeds (homogeneous spherical bubbles and drops) and solid particles (inhomogeneous / non-spherical particles) during the evaluation. Other measuring techniques can only separate solids and germs statistically. This results for the first time in the possibility of a quantitative real-time capable germ concentration measurement, for example in cavitation channels, for process monitoring.

Größen- und Konzentrationsbestimmung Size and concentration determination

Wie bereits erwähnt, werden mit dem Verfahren Größenspektren von Partikeln und/oder Konzentrationen ermittelt. As already mentioned, the method determines size spectra of particles and / or concentrations.

Bei dem Verfahren werden die Größenspektrum und/oder die Konzentration der Keime durch Bestimmung eines größenabhängigen Detektionsvolumens bestimmt. Anders ausgedrückt, werden die Größenspektrum und/oder die Konzentration der Keime in Abhängigkeit des größenabhängigen Detektionsvolumens bestimmt. Insbesondere wird das größenabhängige Detektionsvolumen zur Gewichtung der Durchmesserverteilungen der Partikel herangezogen. In the method, the size spectrum and / or the concentration of the germs are determined by determining a size-dependent detection volume. In other words, the size spectrum and / or the concentration of the germs are determined as a function of the size-dependent detection volume. In particular, the size-dependent detection volume is used to weight the diameter distributions of the particles.

Zur Bestimmung der Größenspektren und Konzentrationen aus den Histogrammen der Größenverteilungen werden vorzugsweise die folgenden Schritte durchgeführt:

– anhand der Intensitätsverteilung des Lichts über den Querschnitt des Laserstrahls und der durchmesserabhängigen Intensität der Streufunktionen der homogenen sphärischen Partikel wird ein Modell eines vom Partikeldurchmesser abhängigen effektiven Detektionsvolumens ermittelt, wobei anhand der Bildintensität und den dazu bestimmten Durchmessern der Keime die Parameter des Modells bestimmt werden,
– die mit der Signalverarbeitung bestimmten Histogramme der Durchmesserverteilungen werden mit Hilfe der durchmesserabhängigen Detektionsvolumina derart korrigiert bzw. gewichtet, dass sich alle Häufigkeiten auf ein einheitliches Volumen beziehen. Damit ergeben sich die Größenspektren und Konzentrationen der homogenen sphärischen Partikel, d.h. der Blasen und/oder Flüssigkeitstropfen.

To determine the size spectra and concentrations from the histograms of Size distributions are preferably performed the following steps:

Based on the intensity distribution of the light over the cross section of the laser beam and the diameter-dependent intensity of the scattering functions of the homogeneous spherical particles, a model of an effective detection volume dependent on the particle diameter is determined, the parameters of the model being determined on the basis of the image intensity and the diameters of the germs determined for this purpose,
- The histograms of the diameter distributions determined by the signal processing are corrected or weighted with the aid of the diameter-dependent detection volumes such that all frequencies relate to a uniform volume. This results in the size spectra and concentrations of the homogeneous spherical particles, ie the bubbles and / or liquid drops.

Das inhomogene Intensitätsprofil des Laserstrahls ist derart, dass kleine Partikel nahe der Maximalintensität des Strahls noch detektiert werden können, während große Partikel in der Äußeren Region ähnlich intensive Signale erzeugen. Wie oben erwähnt, kann die Intensitätsverteilung eines monomodigen Laserstrahls mittels einer Gaußverteilung beschrieben werden. Zur Bestimmung der vorhandenen Partikel- bzw. Keimspektren und der Konzentrationen werden die Häufigkeitshistogramme mit dem effektiven Detektionsvolumen gewichtet. Kleine Partikel streuen tendenziell weniger Licht und werden deshalb die Detektionsschwelle nur für Positionen nahe der Laserstrahlachse erreichen. Das Detektionsvolumen ist demnach ein dünner Zylinder. Größere Partikel werden auch weiter außerhalb detektiert. Das Detektionsvolumen ist demnach ein dickerer Zylinder. Noch größere Partikel werden bei Positionen in der Laserstrahlachse den Empfänger übersteuern und nur in den Randbereichen des Laserstrahls auswertbare Signale generieren. Damit ist das Detektionsvolumen ein Hohlzylinder. Das Verfahren definiert in Abhängigkeit von der Intensitätsverteilung im Laserstrahlquerschnitt ein Modell für das Partikeldurchmesserabhängige Detektionsvolumen. Anhand der Bildintensität und den dazu bestimmten Durchmessern der Keime können die Parameter der Detektionsvolumenmodells bestimmt werden. Anschließend werden die Häufigkeitshistogramme mit Hilfe der Volumina korrigiert, so dass die Keimspektren und die Keimkonzentration bestimmt werden können. Durch Nutzung eines dünnen definierten Laserstrahls kann das partikelgrößenabhängige Detektionsvolumen im Vergleich zu anderen Verfahren genauer bestimmt werden. Weiterhin kann das Detektionsvolumen für einen großen Durchmesserbereich angegeben werden und wächst nur langsam mit dem Partikeldurchmesser. Dies ist im Vergleich zu anderen Verfahren (Phasen Doppler, IPI mit Lichtschnitt) vorteilhaft, bei denen das Detektionsvolumen mit dem Partikeldurchmesser schnell wächst bzw. für größere Partikel nicht mehr genau definierbar werden kann. Damit ergibt sich ein wesentlich größerer Dynamikbereich bei gleichzeitig besserer Korrektur. Zur Erläuterung und Gebrauch des Begriffes „Detektionsvolumen“ (detection volume) wird auch auf die Publikation von Albrecht et al. 2003 , verwiesen. The inhomogeneous intensity profile of the laser beam is such that small particles near the maximum intensity of the beam can still be detected, while large particles in the outer region produce similarly intense signals. As mentioned above, the intensity distribution of a monomode laser beam can be described by means of a Gaussian distribution. To determine the available particle or germ spectra and the concentrations, the frequency histograms are weighted with the effective detection volume. Small particles tend to scatter less light and will therefore reach the detection threshold only for positions near the laser beam axis. The detection volume is therefore a thin cylinder. Larger particles are also detected farther outside. The detection volume is therefore a thicker cylinder. Even larger particles will oversteer the receiver at positions in the laser beam axis and only generate evaluable signals in the edge regions of the laser beam. Thus, the detection volume is a hollow cylinder. The method defines a model for the particle diameter-dependent detection volume as a function of the intensity distribution in the laser beam cross-section. The parameters of the detection volume model can be determined on the basis of the image intensity and the diameters of the germs determined for this purpose. Subsequently, the frequency histograms are corrected with the help of the volumes, so that the germ spectra and the germ concentration can be determined. By using a thin, defined laser beam, the particle size-dependent detection volume can be determined more accurately in comparison to other methods. Furthermore, the detection volume can be specified for a large diameter range and grows only slowly with the particle diameter. This is advantageous in comparison to other methods (phases Doppler, IPI with light section) in which the detection volume with the particle diameter grows rapidly or can no longer be precisely defined for larger particles. This results in a much larger dynamic range with better correction. To explain and use the term "detection volume" (detection volume) is also on the publication of Albrecht et al. 2003 , referenced.

Ergebnisanzeige und Speicherung Results display and storage

Die Messergebisse, wie Größenspektren und/oder die Konzentration können kontinuierlich ausgegeben werden und auf üblichen Anzeigevorrichtungen ausgegeben werden. Ferner können Speichereinrichtungen und Speichermittel vorhanden sein, um Daten und Bilddateien zu speichern. The measurement results, such as size spectra and / or the concentration can be output continuously and output on conventional display devices. Furthermore, storage devices and storage means may be provided to store data and image files.

Spezielle Anwendungen des Verfahrens Special applications of the process

Das Verfahren kann in allen Bereichen angewandt werden, in denen Verteilungen und Konzentration homogener sphärischer Partikel in mehrphasigen strömenden Flüssigkeiten, insbesondere mit zusätzlichen inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln, bestimmt werden sollen. The method can be used in all areas in which distributions and concentration of homogeneous spherical particles in multiphase flowing liquids, in particular with additional inhomogeneous and / or non-spherical particles, are to be determined.

In einem speziellen Beispiel ist das Verfahren ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Keimen in einer mehrphasigen strömenden Flüssigkeit in einem Kavitationskanal, insbesondere einer Wasserströmung mit Blasen und Feststoffpartikeln in einem Kavitationskanal. In a specific example, the method is a method for continuously determining the sizes and / or the concentration of nuclei in a multiphase flowing liquid in a cavitation channel, in particular a water flow with bubbles and solid particles in a cavitation channel.

Das Verfahren kann auch eingesetzt werden zur Bestimmung des Größenspektrums und der Konzentration von Öltropfen in Flüssigkeiten. In einem weiteren speziellen Beispiel ist das Verfahren ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung von Öltropfen in Wasser, das mit Öl verunreinigt ist. Beispiele sind Prozesswasser aus industriellen Prozessen, ölverschmutze natürliche Gewässer, Bildewasser oder Kläranlagenwasser, die einleitend bereits erwähnt wurden. The method can also be used to determine the size spectrum and the concentration of oil drops in liquids. In another specific example, the process is a process for the continuous determination of oil drops in water contaminated with oil. Examples are process water from industrial processes, oil-polluted natural waters, picture water or sewage treatment water, which have already been mentioned in the introduction.

In einer weiteren Variante des Verfahrens ist die mehrphasige strömende Flüssigkeit Bachwasser, Flusswasser, Meerwasser oder Binnenseewasser, also eine Wasserströmung in der freien See, einem Fluss/Bach oder einem Binnensee. Diese Gewässer können beispielsweise auf Öl-Tropfengrößen und -Konzentrationen analysiert werden, wie oben bereits erwähnt, oder zusätzlich auch auf andere Flüssigkeits- oder Gaspartikel. Sofern zusätzlich Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden sind, können diese bei der Auswertung separiert werden, wie oben angegeben. In a further variant of the method, the multiphase flowing liquid is creek water, river water, seawater or inland seawater, ie a water flow in the open sea, a river / brook or an inland lake. These waters can be analyzed, for example, for oil droplet sizes and concentrations, as already mentioned above, or additionally to other liquid or gas particles. If additional solid particles are present in the flow, they can be separated during the evaluation, as indicated above.

In noch einer Variante wird das Verfahren in einem chemischen Reaktor angewandt, insbesondere einem Reaktor, in dem eine Reaktion zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit durchgeführt wird, beispielsweise einer Blasensäule. Zur Prozessüberwachung oder Regelung kann sowohl die Konzentration der Blasen (Keime) als auch deren Größenspektrum bestimmt werden. Sofern zusätzlich zu den Blasen noch weitere Verunreinigungen bzw. Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden sind, können diese bei der Auswertung separiert werden, wie oben angegeben. In yet another variant, the method is used in a chemical reactor, in particular a reactor in which a reaction between a gas and a liquid is carried out, for example a bubble column. For process monitoring or control, both the concentration of bubbles (nuclei) and their size spectrum can be determined. If, in addition to the bubbles, further impurities or solid particles are present in the flow, they can be separated during the evaluation, as indicated above.

Vorrichtungen devices

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Kavitationskanal, aufweisend eine Vorrichtung, die zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mehrphasigen strömenden Flüssigkeit innerhalb des Kavitationskanals eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten aufweist:

– eine Laserlichtquelle zur Einstrahlung eines Laserstrahls in die Flüssigkeit und zur Beleuchtung von Partikeln in der Flüssigkeit,
– eine optische Einrichtung zum Auffangen von Streulicht der Partikel, wobei die optische Einrichtung zum Auffangen von Streulicht von Partikeln eingerichtet ist, welche entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind,
– einen Detektor, der zur defokussierten Abbildung eines Ausschnitts der Streufunktion der Partikel zum Erhalt von Streulichtinformationen eingerichtet ist,
– eine Verarbeitungseinrichtung, die zur kontinuierlichen Verarbeitung der Streulichtinformationen und zur Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration der Gas- und/oder Flüssigkeitspartikel eingerichtet ist.

In a further aspect, the invention relates to a cavitation channel, comprising a device which is set up for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing liquid within the cavitation channel, the device comprising the following components:

A laser light source for irradiating a laser beam into the liquid and for illuminating particles in the liquid,
An optical device for collecting scattered light of the particles, wherein the optical device is arranged to capture scattered light from particles which are contained in the liquid along the propagation direction of the laser beam,
A detector which is set up for the defocused imaging of a section of the scattering function of the particles in order to obtain scattered-light information,
A processing device which is set up for the continuous processing of the scattered light information and for the determination of the sizes and / or the concentration of the gas and / or liquid particles.

In einer speziellen Ausführungsform des Kavitationskanals ist die Verarbeitungseinrichtung zur Unterscheidung zwischen den Feststoffpartikeln einerseits und den Gas- und/oder Flüssigkeitspartikeln andererseits eingerichtet, wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit auch inhomogene und/oder nichtsphärische Feststoffpartikel aufweist. In diesem Fall umfasst der im vorigen Absatz bei der Laserlichtquelle, der optischen Einrichtung und dem Detektor verwendete allgemeine Begriff „Partikel“ auch die Feststoffpartikel und diese Komponenten sind entsprechend eingerichtet. In a specific embodiment of the cavitation channel, the processing device for distinguishing between the solid particles on the one hand and the gas and / or liquid particles on the other hand is set up when the multiphase flowing liquid also has inhomogeneous and / or non-spherical solid particles. In this case, the general term "particle" used in the previous paragraph in the laser light source, the optical device and the detector also includes the solid particles and these components are set up accordingly.

In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen chemischen Reaktor, aufweisend eine solche Vorrichtung. In yet another aspect, the invention relates to a chemical reactor comprising such a device.

Zur Erläuterung der Komponenten der Vorrichtung wird auf die vorangegangene Beschreibung des Verfahrens verwiesen. Die oben genannten Komponenten können jeweils zur Durchführung der in dieser Beschreibung genannten Verfahrensschritte eingerichtet sein. To explain the components of the device, reference is made to the preceding description of the method. The abovementioned components can each be set up to carry out the method steps mentioned in this description.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: The invention will be described below with reference to exemplary embodiments. Show it:

1 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens 1 a first variant of the method according to the invention

2a–d defokussierte Abbildungen verschiedener Partikel 2a -D defocused images of different particles

3 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Strahlen 3 a variant of the method according to the invention with a plurality of beams

4 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Strahlen aus einem Laser-Doppler-Gerät verwendet werden 4 a variant of the method according to the invention, in which beams are used from a laser Doppler device

5 Vergleich einer Abbildung mit einem Lichtschnitt nach dem Stand der Technik und mit einem Lasereinzelstrahl 5 Comparison of a figure with a light section according to the prior art and with a laser single beam

6 eine seitliche Ansicht des Laserstrahls mit beleuchteten Partikeln 6 a side view of the laser beam with illuminated particles

In der 1 ist ein erster Versuchsaufbau gezeigt. In eine Messstrecke mit partikelbeladener Flüssigkeitsströmung 1 wird mittels einer kohärenten Laserlichtquelle 2 ein Laserstrahl 11 eingestrahlt. Der Laserstrahl 11 wird nur lokal im Punkt P eingestrahlt, während bei Verfahren nach dem Stand der Technik eine größere Fläche 16 ausgeleuchtet wird. Schnittfläche 16 durch die Flüssigkeitsströmung 1 kann quer oder parallel zur Strömungsrichtung gewählt sein. Beispielhaft gezeigt ist, wie der Laserstrahl 11, der ein an die Messaufgabe angepasster Laserstrahl sein kann, auf ein Partikel 12 trifft und das Partikel beleuchtet. Ebenfalls beleuchtet wird ein weiterer Partikel 13, der ebenfalls entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit 1 enthalten ist. Bei der Beleuchtung der Partikel 12 und 13 werden Streulichtstrahlen 14, 15 erzeugt, die unter dem Streulichtwinkel 5 auf eine defokussierende Optik 4 treffen. Von der defokussierenden Optik 4 wird das Streulicht 14, 15 zu einem Detektor 3, ausgebildet als abbildende Optik, geleitet. Die abbildende Optik 3 kann beispielsweise eine Zeilenkamera, eine Flächenkamera oder eine mehrkanalige Kamera sein. Von der abbildenden Optik 3 wird das Signal weitergeleitet zu der Bearbeitungseinrichtung 17, beispielsweise zu einem Computer, in welchem das Signal mittels eines Auswertealgorithmus verarbeitet wird. Nicht gezeigt sind Benutzerschnittstellen bzw. Ausgabeeinrichtungen, wie Displays, Bildschirme etc. In the 1 a first experimental setup is shown. In a measuring section with particle-laden liquid flow 1 is by means of a coherent laser light source 2 a laser beam 11 irradiated. The laser beam 11 is irradiated only locally at point P, while in prior art methods a larger area 16 is illuminated. section 16 through the liquid flow 1 may be selected transversely or parallel to the flow direction. By way of example, it is shown how the laser beam 11 , which may be a laser beam adapted to the measurement task, onto a particle 12 meets and illuminates the particle. Also illuminated is another particle 13 also along the propagation direction of the laser beam in the liquid 1 is included. When lighting the particles 12 and 13 become stray light rays 14 . 15 generated under the stray light angle 5 on a defocusing optics 4 to meet. From the defocusing optics 4 becomes the stray light 14 . 15 to a detector 3 , designed as imaging optics, directed. The imaging optics 3 may be, for example, a line scan camera, a surface camera or a multi-channel camera. From the imaging optics 3 the signal is forwarded to the processing device 17 For example, to a computer in which the signal is processed by means of an evaluation algorithm. Not shown are user interfaces or output devices, such as displays, screens, etc.

In den 2a bis 2d sind unterschiedliche Streulichtinformationen dargestellt, die bei unterschiedlichen Partikeltypen erhalten werden. In the 2a to 2d different scattered light information is shown, which are obtained with different particle types.

Radialsymmetrische sphärische Partikel generieren auf dem Detektor ein Interferenzstreifenmuster welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist (2a), da die signalwirksamen Glanzpunkte alle in der Streuebene liegen. Die Glanzpunkte von inhomogenen oder nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) sind dagegen willkürlich auf der Oberfläche verteilt oder der gesamte Partikel / die gesamte Partikeloberfläche streut das einfallende Licht diffus. Im ersteren Fall ergibt sich ein schräges Interferenzstreifensystem welches auch nichtperiodisch sein kann (2b). Im zweiten Fall werden Flecken (Speckles) abgebildet. Kleine Specklestrukturen (2c) werden dabei von vergleichsweise großen Partikeln und große Specklestrukturen (2d) von vergleichsweise kleinen Partikeln generiert. Radially symmetric spherical particles generate on the detector an interference fringe pattern which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam ( 2a ), since the high-definition highlights are all in the scattering plane. The highlights of inhomogeneous or non-spherical particles (solid particles), on the other hand, are randomly distributed on the surface, or the entire particle / the entire particle surface diffuses the incident light diffusely. In the former case, an oblique interference fringe system results which can also be non-periodic ( 2 B ). In the second case, spots (speckles) are displayed. Small speckle structures ( 2c ) are characterized by comparatively large particles and large speckle structures ( 2d ) generated by comparatively small particles.

3 zeigt einen Versuchsaufbau, in dem mehrere Laserstrahlen 11a, 11b, 11c eingestrahlt werden. Der Abstand der Laserstrahlen 11a–c ist so gewählt, dass sich defokussierende Abbildungen von unterschiedlichen Strahlen nicht oder kaum überlappen. In dem gezeigten Beispiel wird der Partikel 12 von dem Laserstrahl 11a beleuchtet und der Partikel 13 von dem Laserstrahl 11b. Zu den anderen Bezugszeichen wird auf die Erläuterung zu 1 verwiesen. Es ist auch möglich, die Laserstrahlen 11a–c nicht parallel und nicht aus der gleichen Richtung kommend an verschiedenen Stellen in die Flüssigkeit 1 einzustrahlen. 3 shows a test setup in which several laser beams 11a . 11b . 11c be irradiated. The distance of the laser beams 11a -C is chosen so that defocusing images of different rays do not overlap or barely overlap. In the example shown, the particle becomes 12 from the laser beam 11a illuminated and the particle 13 from the laser beam 11b , For the other reference numerals to the explanation 1 directed. It is also possible to use the laser beams 11a -C not parallel and not coming from the same direction at different points in the liquid 1 irradiate.

In der 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der zwei Laserstrahlen 20, 21 aus einer Vorrichtung 10 entstammen, die auch zu einem anderen, laserbasierten Messverfahren einsetzbar ist. In diesem Fall ist die Vorrichtung 10 eine Laser-Doppler-Sendeeinheit zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 1. Im Rahmen des Laser-Doppler-Verfahrens werden die zwei Laserstrahlen 20, 21 gekreuzt und in den Messbereich fokussiert. Gleichzeitig werden die Strahlen 20, 21 zur Messung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. So beleuchtet beispielsweise der Laserstrahl 20 einen Partikel 12, wodurch ein Streulicht 14 erzeugt wird. Zur Erläuterung der weiteren Komponenten und Bezugszeichen wird auf die 1 verwiesen. In the 4 an embodiment is shown in which two laser beams 20 . 21 from a device 10 which can also be used for another, laser-based measuring method. In this case, the device is 10 a laser Doppler transmitter unit for determining the flow rate of the liquid 1 , As part of the laser Doppler method, the two laser beams 20 . 21 crossed and focused in the measuring range. At the same time the rays become 20 . 21 used for measurement in the context of the method according to the invention. For example, the laser beam illuminates 20 a particle 12 , causing a stray light 14 is produced. To explain the other components and reference numerals is on the 1 directed.

Die 5a zeigt eine defokussierte Abbildung, wie sie nach einem IPI-Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten wird. Eine defokussierte Abbildung wie in der 5a gezeigt erhält man, wenn man einen Lichtschnitt (light sheet) großflächig und nicht punktuell auf eine Probe einstrahlt. Man erhält auf der Abbildung viele verschiedene Partikel, die allerdings oftmals überlappen und aufgrund der flächigen Beleuchtung mit der Laserlichtquelle eine geringe Intensität aufweisen. Im Ergebnis sind die erhaltenen Informationen schwer zu analysieren. The 5a shows a defocused image as obtained by a prior art IPI process. A defocused illustration as in the 5a One obtains one, if one irradiates a light section over a large area and not punctually on a sample. On the picture you get many different particles, however, often overlap and have a low intensity due to the surface illumination with the laser light source. As a result, the information obtained is difficult to analyze.

Die 5b zeigt eine defokussierte Abbildung, wie sie durch punktuelle Einstrahlung eines Laserstrahls in eine strömende Flüssigkeit, die Partikel erhält, erhalten wird. Man erkennt nur wenige Partikel auf einem Bild, in diesem Fall zwei Partikel. Es ist auch erkennbar, dass die Partikel nicht überlappen und einen hohen Kontrast aufweisen, weil in das betrachtete Messvolumen (Analyseregion), das relativ klein ist, die volle Laserintensität eingestrahlt wird. Aus diesen Gründen ist das Bild leicht zu analysieren. Für eine verlässliche Statistik wird eine hohe Bildzahl erzeugt. The 5b shows a defocused image as obtained by spot irradiation of a laser beam into a flowing liquid receiving particles. You can only see a few particles on one image, in this case two particles. It can also be seen that the particles do not overlap and have a high contrast, because in the considered measurement volume (analysis region), which is relatively small, the full laser intensity is irradiated. For these reasons, the picture is easy to analyze. For reliable statistics, a high number of images is generated.

Die 6 zeigt ein Bild mit einem sphärischen Partikel und einem Feststoffpartikel (in der Mitte). Viele weitere Partikel machen den horizontalen Laserstrahl durch Streuung schemenhaft sichtbar. The 6 shows an image with a spherical particle and a solid particle (in the middle). Many other particles make the horizontal laser beam by scattering visible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Partikelbeladene Flüssigkeitsströmung Particle-laden liquid flow
2 2: Kohärente Lichtquelle (Laser) Coherent light source (laser)
3 3: Abbildende Optik Imaging optics
4 4: Defokussierende Optik Defocusing optics
5 5: Streuwinkel scattering angle
6 6: Defokussierte Abbildung eines homogenen/sphärischen Partikels Defocused image of a homogeneous / spherical particle
7 7: Defokussierte Abbildung eines nichtsphärische/inhomogenen Partikels mit lokalisierten GlanzpunktenDefocused image of a nonspherical / inhomogeneous particle with localized highlights
8 8th: Defokussierte Abbildung eines großen nichtsphärische/inhomogenen Partikels Defocused image of a large non-spherical / inhomogeneous particle
9 9: Defokussierte Abbildung eines kleinen nichtsphärische/inhomogenen Partikels Defocused image of a small non-spherical / inhomogeneous particle
10 10: Laser-Doppler-Sendeeinheit Laser Doppler transmission unit
11 11: Laserstrahl laser beam
12 12: Partikel particle
13 13: Partikel particle
14 14: gestreuter Strahl scattered beam
15 15: gestreuter Strahl scattered beam
16 16: die Strömung schneidende, gedachte Fläche the flow-cutting, imaginary surface
17 17: Verarbeitungseinrichtung processing device
20 20: erster Laserstrahl einer Doppler-Messvorrichtung first laser beam of a Doppler measuring device
21 21: zweiter Laserstrahl einer Doppler-Messvorrichtung second laser beam of a Doppler measuring device

Literatur literature

G.King, K. Anders, A. Frohn, (1986) A new light-scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets, Journal of Aerosol Science Volume 17, Issue 2, Pages 157-167
Maeda M., Akasaka Y., and Kawaguchi T. (2002) Improvements of the interferometric technique for simultaneous measurement of droplet size and velocity vector field and its application to a transient spray. Exp. Fluids 33: 125-134 ,
Damaschke N., Nobach H., Nonn TI, Semidetnov N., and Tropea C. (2005) Multidimensional particle sizing techniques. Exp. Fluids 39: 336-350 ,
Albrecht H. -E., Borys M., Damaschke N., and Tropea C. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Springer-Verlag ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

G. König et al. 1986 [0011]
Damaschke et al. [0011]
Maeda et al. 2002 [0011]
G.King, K. et al. [0027]
Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336-350 [0027]
Albrecht et al. (2003) [0027]
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Damaschke et al. 2005 [0039]
Damaschke et al. 2005 [0056]
Albrecht et al. 2003 [0061]
Short et al, A Comparison of Photometric Normalization Algorithms for Face Verification, Sixth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG'04) Seoul, Korea ISBN: 0-7695-2122-3 [0063]
S. Suzuki, K. Abe. (1985) "Topological structural analysis of digital binary image by border following" CVGIP 30 (l): 32-46 [0063]
Albrecht et al. 2003 [0068]

Claims

Method for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing liquid laden with liquid particles and / or gas particles and furthermore with solid particles ( 1 ), comprising the following steps: irradiation of a laser beam ( 11 ) into the liquid ( 1 ), - Illumination of homogeneous spherical liquid particles and / or homogeneous spherical gas particles ( 12 . 13 ) and of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles with the laser beam ( 11 ), where particles ( 12 . 13 ), which are contained along the direction of propagation of the laser beam in the liquid, - collecting stray light of the illuminated particles ( 12 . 13 ) at a scattering angle ( 5 ) or multiple scattering angles with one or more optical devices ( 4 ), - defocused image of sections of the scattering function of the particles on one or more detectors ( 3 ), so for particles ( 12 . 13 ) Scatter light information is obtained, - continuous processing of the scattered light information with a processing device ( 17 ) and distinction of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles of homogeneous spherical particles, - Determination of the sizes of the homogeneous spherical particles from interference patterns, - Determination of size spectra and / or the concentration of the homogeneous spherical particles, taking into account size-dependent detection volumes.

Method according to Claim 1, in which a plurality of laser beams ( 11a . 11b . 11c ) are irradiated.

Method according to one of the preceding claims, in which two or more superimposed laser beams of different wavelengths are irradiated.

Method according to one of the preceding claims, in which differently polarized laser beams are irradiated.

Method according to one of the preceding claims, in which - Based on the intensity distribution of the light over the cross section of the laser beam and the diameter-dependent intensity of the scattering function of the homogeneous spherical particles, a model of a dependent on the particle diameter effective detection volume is determined, based on the image intensity and the specific diameter of the homogeneous spherical particles determines the parameters of the model become, - Histograms of the diameter distribution are generated and weighted using the diameter-dependent detection volumes so that all frequencies refer to a single volume.

Method according to one of the preceding claims, in which the laser light beam, or a plurality of the laser beams ( 20 . 21 ), from a device ( 10 ), which can also be used for another, laser-based measuring method.

Method according to one of claims 1-6, wherein the detector is a two-dimensional detector.

The method of any of claims 1-6, wherein the detector is a one-dimensional detector positioned parallel to the axis of the laser beam.

The method of claim 8, wherein the size of non-homogeneous or non-spherical solid particles is determined or estimated based on their scattered light information.

The method of any of claims 1-9, wherein the multiphase flowing liquid is a liquid flow in a cavitation channel.

The method of any of claims 1-9, wherein the multiphase flowing liquid is oil-contaminated water.

The method of any one of claims 1-9, wherein the multiphase flowing liquid is creek water, river water, seawater or seawater.

The method of any one of claims 1-9, wherein the multiphase liquid flow is a liquid flow in a chemical reactor.

Cavitation channel, comprising a device which is used for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing liquid ( 1 ) within the cavitation channel, the device comprising the following components: a laser light source ( 2 ) for irradiating a laser beam ( 11 ) into the liquid ( 1 ) and for the illumination of particles ( 12 . 13 ) in the liquid, - an optical device ( 4 ) for collecting stray light ( 14 . 15 ) of the particles ( 12 . 13 ), the optical device ( 4 ) for collecting stray light ( 14 . 15 ) of particles which along the propagation direction of the laser beam ( 11 ) in the liquid ( 1 ), - a detector ( 3 ) leading to the defocused picture of a section of the scattering function of the particles ( 12 . 13 ) is arranged to obtain scattered light information, - a processing device ( 17 ) for continuously processing the scattered light information and for determining the sizes and / or the concentration of the gas and / or liquid particles ( 12 . 13 ) is set up.

Cavitation channel according to claim 14, wherein the multiphase flowing liquid additionally comprises inhomogeneous and / or non-spherical solid particles and the processing means is arranged to distinguish the solid particles from the gas and / or liquid particles.