DE102014106598A1

DE102014106598A1 - Verfahren zur Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften einer Dispersion

Info

Publication number: DE102014106598A1
Application number: DE102014106598.0A
Authority: DE
Inventors: Walter Schäfer; Meiko Hacker
Original assignee: Aom Systems GmbH; Aom-Systems GmbH
Current assignee: Aom Systems GmbH; Aom-Systems GmbH
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften einer Dispersion wird ein sich relativ zu einer Lichtquelle (3, 3‘) bewegender Tropfen (1) der Dispersion von der Lichtquelle (3, 3‘) beleuchtet, mit einem Streulichtdetektor (4, 5) ein zeitaufgelöster erster Intensitätsverlauf I1 von an dem Tropfen (1) in einem ersten Streuwinkel θS1 gestreutem Streulicht erfasst, mit einem Streulichtdetektor (4, 5) ein zeitaufgelöster zweiter Intensitätsverlauf I2 von an dem Tropfen (1) in einem zweiten Streulichtwinkel θS2 gestreutem Streulicht erfasst, für den ersten Intensitätsverlauf I1 und für den zweiten Intensitätsverlauf I2 jeweils ein Peakverhältnis zwischen einem refraktierten Streulichtpeak und einem reflektierten Streulichtpeak ermittelt und es werden für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion nur diejenigen Intensitätsverläufe I1 und I2 berücksichtigt, deren Peakverhältnisse ein vorgebbares Auswertekriterium erfüllen. Der erste Streuwinkel θS1 und der zweite Streuwinkel θS2 können betragsmäßig gleich sein. Das Auswertekriterium wird vorab experimentell ermittelt. Aus einem zeitlichen Abstand des reflektierten Streulichtpeaks zu dem refraktierten Streulichtpeak kann eine Größe des Tropfens ermittelt und für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften einer Dispersion. Als Dispersion wird ein heterogenes Gemisch zweier Stoffe bezeichnet, bei der ein erster Stoff in eine disperse Phase in einem Dispersionsmedium, dem zweiten Stoff, fein verteilt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft zur Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften von einer flüssigen oder festen dispersen Phase in einem flüssigen Dispersionsmedium, bzw. von Emulsionen oder Suspensionen einsetzen.
Für viele Anwendungsbereiche wie beispielsweise Klebstoffe, Dispersionsfarben oder Kunststoffen spielen Dispersionen und damit auch die charakteristischen Eigenschaften der Dispersionen wie beispielsweise die Konzentration und die Größenverteilung der dispersen Phase in dem fluiden Dispersionsmedium eine bedeutende Rolle. Sowohl für die Entwicklung neuer Produkte als auch für die Qualitätskontrolle der industriell angewendeten Herstellungsverfahren sind die Ermittlung und gegebenenfalls die Überwachung der charakteristischen Eigenschaften einer Dispersion vorteilhaft bzw. notwendig.
Aus der Praxis sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen statische bzw. quasi-statische Analysen einer Dispersion durchgeführt werden können. Die charakteristischen Eigenschaften können dabei in Abhängigkeit von der Größenverteilung der dispersen Phase beispielsweise mit der konventionellen Lichtmikroskopie oder mit geeigneten Elektronenmikroskopen untersucht werden.
Beispielsweise aus DE 103 17 807 A1 sind Messgeräte und Messverfahren bekannt, bei denen die Ermittlung einiger charakteristischer Eigenschaften einer Dispersion mittels Ultraschall durchgeführt wird und die Schalldämpfung oder eine Laufzeitmessung des Ultraschalls innerhalb der Dispersion erfasst und verwendet werden, um davon ausgehend durch eine geeignete Auswertung einige charakteristische Eigenschaften zu ermitteln.
Die aus der Praxis bekannten Verfahren sind mit einem erheblichen apparativen Aufwand und mit vergleichsweise langen Messzeiten verbunden. Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften einer Dispersion wie beispielsweise der Konzentration oder Größenverteilung der dispersen Phase in dem Dispersionsmedium so auszugestalten, dass das Verfahren möglichst rasch und zuverlässig und gleichzeitig mit einfachen und kostengünstigen apparativen Messvorrichtungen durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein sich relativ zu einer Lichtquelle bewegender Tropfen der Dispersion von der Lichtquelle beleuchtet wird, dass mit einem Streulichtdetektor ein zeitaufgelöster erster Intensitätsverlauf I₁ von an dem Tropfen in einem ersten Streuwinkel θ_S1 gestreutem Streulicht erfasst wird, das mit einem Streulichtdetektor ein zeitaufgelöster zweiter Intensitätsverlauf I₂ von an dem Tropfen in einem zweiten Streuwinkel θ_S1 gestreuten Streulicht erfasst wird, dass für den ersten Intensitätsverlauf I₁ und für den zweiten Intensitätsverlauf I₂ jeweils ein Peakverhältnis zwischen einem refraktierten Streulichtpeak und einem reflektierten Streulichtpeak ermittelt wird und dass für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion nur diejenigen Intensitätsverläufe I₁ und I₂ berücksichtigt werden, deren Peakverhältnisse ein vorgebbares Auswertekriterium erfüllen.
Durch einen Vergleich eines reflektierten Streulichtpeaks mit einem refraktierten Streulichtpeak können einige wichtige charakteristische Eigenschaften der Dispersion, aus der der Tropfen besteht, ermittelt werden. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass bei der Verwendung geeigneter Streulichtdetektoren und mit Hilfe einer geeigneten Auswertung der mit den Streulichtdetektoren gemessenen Intensitätsverläufe diejenigen charakteristischen Eigenschaften sehr schnell und zuverlässig ermittelt werden können, die sich auf einen messbaren Unterschied des refraktierten Streulichtpeaks zu dem reflektierten Streulichtpeak auswirken. Zudem ist es möglich, durch die Berechnung und Überprüfung des Auswertekriteriums diejenigen Intensitätsverläufe zu identifizieren, die beispielsweise auf Grund von einer Überlagerung des Streulichts mehrerer Tropfen gestört werden und deshalb nicht für die Auswertung berücksichtigt werden sollten.
Dadurch wird es ermöglicht, die charakteristischen Eigenschaften der Dispersion ausschließlich durch Messung der zeitaufgelösten Intensitätsverläufe zu ermitteln, ohne dass zusätzliche zeitgleiche Messungen beispielsweise mit optischen Kameras oder dass eine aufwändige Präparation der Messproben erforderlich wird. Die Verwendung von Tropfen der Dispersion für die berührungslosen und die Tropfen nicht beeinflussenden Messungen ermöglicht weiterhin eine einfache Überprüfung und Kontrolle der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion während eines Herstellungs- oder Bearbeitungsprozesses.
Als reflektierter Streulichtpeak wird diejenige mit dem Streulichtdetektor erfassbare Streulichtintensität bezeichnet, die durch Reflektion des von der Lichtquelle emittierten Lichts an der Oberfläche des Tropfens erzeugt wird. Als refraktierter Streulichtpeak wird diejenige zeitaufgelöste Streulichtintensität bezeichnet, die ausgehend von der Lichtquelle an der Oberfläche des Tropfens in den Tropfen hinein abgelenkt und gebrochen wird, den Tropfen durchquert und bei dem Austritt aus dem Tropfen in die Richtung des Streulichtdetektors erneut abgelenkt und gebrochen wird. Während des Durchgangs eines einfallenden Lichtstrahls durch den Tropfen kann eine Wechselwirkung mit der dispersen Phase und mit dem Dispersionsmedium stattfinden, wobei der Lichtstrahl an den Teilchen der dispersen Phase in dem Tropfen absorbiert, abgelenkt oder ungerichtet reflektiert werden kann.
Die Intensität des an dem Tropfen reflektierten Streulichts ist von verschiedenen Faktoren abhängig, die vereinfachend zu einigen wenigen Parametern zusammengefasst werden können. So ist die Intensität des an dem Tropfen reflektierten Lichts eine Funktion L der Lichtquelle, die maßgeblich durch die Intensität der Lichtquelle vorgegeben wird. Die gemessene Streulichtintensität hängt darüber hinaus von den optischen bzw. reflexionsrelevanten Eigenschaften des fluiden Dispersionsmediums des Tropfens zwischen der Lichtquelle und dem Streulichtdetektor ab, wobei diese Abhängigkeit durch den Parameter M gekennzeichnet werden kann. Darüber hinaus ist die gemessene Streulichtintensität von weiteren Parametern abhängig, die beispielsweise die optische Anordnung der einzelnen Komponenten der Messvorrichtung wie etwa den Streuwinkel, gegebenenfalls verwendete Filter und Linsen etc., die optischen und elektrischen Eigenschaften der verwendeten Streulichtdetektoren wie etwa deren Empfindlichkeit und Verstärkungsfaktor und die charakteristischen Eigenschaften der Signalaufnahme wie beispielsweise die die Impedanz und Verstärkung der einzelnen Messsignale beinhalten. Alle diese Parameter können mit einer Kennzahl Q zusammengefasst werden.
Die Streulichtintensität I_p0 des an dem Tropfen reflektierten Lichts kann dann durch den Zusammenhang I_p0 = L·M·Q beschrieben werden.
Für die mit einem Streulichtdetektor erfassbare Intensität des durch einen Tropfen refraktierten Streulichts sind neben den vorangehend beschriebenen Abhängigkeiten weitere Parameter bzw. Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Die Intensität des refraktierten Streulichts hängt weiterhin ab von der Konzentration und der Größe der in dem fluiden Dispersionsmedium enthaltenen dispersen Phase. Die disperse Phase kann dabei aus Festkörperpartikeln oder aus fluiden bzw. flüssigen oder gasförmigen Blasen gebildet werden, die in dem fluiden Dispersionsmedium dispergiert sind. Diese Abhängigkeiten können mit der Kennzahl A zusammengefasst werden. Weiterhin kann eine Wechselwirkung zwischen dem den Tropfen durchquerenden Streulicht und dem fluiden Dispersionsmedium stattfinden, die ebenfalls die Intensität des mit einem Streulichtdetektor erfassen refraktierten Streulichts beeinflussen kann. Diese Abhängigkeit des refraktierten Streulichts von dem fluiden Dispersionsmedium kann mit einer weiteren Kennzahl B zusammengefasst und beschrieben werden. Die Streulichtintensität des durch den Tropfen refraktierten Streulichts kann demzufolge durch den Zusammenhang I_p = L·M·Q·A·B beschrieben werden. Die Kennzahl B lässt sich für nahezu beliebige fluide Dispersionsmedien experimentell ermitteln oder theoretisch bestimmen, so dass die Kennzahl B für ein im Einzelfall relevantes fluides Dispersionsmedium als bekannt vorausgesetzt werden kann.
Das Verhältnis zwischen der Intensität des refraktierten Streulichts und der Intensität des reflektierten Streulichts I_p/I_p0 = (L·M·Q·A·B)/(L·M·Q) = A·B und demzufolge ausschließlich eine Funktion der voranstehend beschriebenen Kennzahlen A und B, die ihrerseits von den charakteristischen Eigenschaften der Dispersion abhängen. Durch die Ermittlung eines Peakverhältnisses zwischen dem refraktierten Streulichtpeak und dem reflektierten Streulichtpeak an denselben Tropfen können demzufolge die Abhängigkeiten A * B und damit in Verbindung mit weiteren aus der Praxis bekannten Auswertemethoden die charakteristischen Eigenschaften der Dispersion ermittelt werden, die den Tropfen bildet. Da B den Einfluss des fluiden Dispersionsmediums beschreibt und mit Hilfe von vorab durchgeführten experimentellen oder theoretischen Ermittlungen als bekannt vorausgesetzt werden kann, lassen sich mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren die Kennzahl A und damit die charakteristischen Eigenschaften der dispersen Phase in dem Tropfen bestimmen.
Der vorangehend beschriebene Zusammenhang lässt sich jedoch nur dann zuverlässig für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion verwenden und auswerten, wenn sichergestellt werden kann, dass der mit einem Streulichtdetektor gemessene Intensitätsverlauf bzw. die in diesem Intensitätsverlauf enthaltenen refraktierten und reflektierten Streulichtpeaks denselben Tropfen zugeordnet werden können und die Streulichtmessungen nicht durch eine Überlagerung von Streulicht von verschiedenen Tropfen oder durch eine unvollständige Erfassung des Streulichts von einem einzigen Tropfen beeinträchtigt und gestört werden.
Um eine unerwünschte Beeinflussung der gemessenen Streulichtintensitäten zu vermeiden könnte versucht werden, durch zusätzliche Messungen und apparative Maßnahmen sicherzustellen, dass jeder Tropfen einzeln und fehlerfrei gemessen wird. Der hierfür anfallende Aufwand ist jedoch unangemessen hoch, weshalb die vorangehend genannten Zusammenhänge und Auswertemöglichkeiten in der Praxis keine Verwendung finden. Untersuchungen der Anmeldung haben jedoch ergeben, dass durch einen Vergleich von zwei Peakverhältnissen, die zunächst lediglich vermutlich von demselben Tropfen erfasst werden, in einfacher Weise sichergestellt werden kann, dass die mit den Streulichtdetektoren erfassten zeitaufgelösten Intensitätsverläufen ungestört sind und von demselben Tropfen erfasst wurden. Wenn die Peakverhältnisse ein vorgebbares Auswertekriterium erfüllen, kann davon ausgegangen werden, dass alle Annahmen erfüllt sind, die als Grundlage für die vorangehend erläuterten Zusammenhänge dienen. Dies bedeutet in der Praxis insbesondere, dass das gemessene Streulicht tatsächlich von einem einzelnen Tropfen stammt und dieser Tropfen vollständig beleuchtet und das Streulicht vollständig erfasst wurde.
Sollte eine Intensitätsmessung beispielsweise auf Grund einer lediglich teilweisen Beleuchtung des Tropfens durch die Lichtquelle oder auf Grund einer Überlagerung des Streulichts mit dem von einem anderen Tropfen stammenden Streulicht gestört sein, würden die Peakverhältnisse voneinander abweichen bzw. nicht mehr das Auswertekriterium. In diesem Fall wäre die Verwendung der betreffenden zeitaufgelösten Intensitätsverläufe für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion nicht mehr zulässig, da falsche Werte berechnet würden.
Es stellt einen wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, dass für die Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften lediglich zwei zeitaufgelöste Intensitätsverläufe von an einem Tropfen gestreuten Streulicht erfasst werden müssen. Durch einen einfachen Vergleich von aus den Intensitätsverläufen ermittelten Peakverhältnissen kann sichergestellt werden, dass die gemessenen Intensitätsverläufe für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der den Tropfen bildenden Dispersion herangezogen werden können. Auf diese Weise können mit sehr einfachen Mitteln in sehr kurzer Zeit an einer großen Anzahl von Tropfen Messungen durchgeführt werden. Zudem können die einzelnen Tropfen Bestandteil eines Tröpfchennebels sein, wobei lediglich sichergestellt werden sollte, dass die Tropfendichte in dem Tröpfchennebel nicht derart hoch ist, dass für die Dauer der Messung eines zeitaufgelösten Intensitätsverlaufs zu häufig zwei oder mehr Tropfen gleichzeitig von der Lichtquelle beleuchtet werden und Streulicht in Richtung der Streulichtdetektoren streuen.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der erste Streuwinkel θ_S1 und der zweite Streuwinkel θ_S2 betragsmäßig gleich sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei einem Vergleich der Streulichtpeaks untereinander sowie der Peakverhältnisse miteinander die Abhängigkeit von dem Streuwinkel θ_S1 und von dem zweiten Streuwinkel θ_S2 gleich sind und deshalb für die Auswertung und für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion keine Rolle spielen.
Der erste Streuwinkel θ_S1 und der zweite Streuwinkel θ_S2 können auch unterschiedlich sein. Für unterschiedliche Streuwinkel θ_S1 und θ_S2 verändern sich die grundlegenden Zusammenhänge und Abhängigkeiten von den einzelnen Parametern nicht, jedoch werden die mathematische Beschreibung der Zusammenhänge komplexer und die Berechnung der charakteristischen Eigenschaften der dispersen Phase aufwändiger.
Es ist zweckmäßig und erleichtert die Auswertung, wenn durch die Anordnung der Lichtquelle und des Streulichtdetektors für die Messung des ersten Intensitätsverlaufs I₁ und des zweiten Intensitätsverlaufs I₂ so vorgegeben werden, dass das Peakverhältnis des ersten Intensitätsverlaufs I₁ und das Peakverhältnis des zweiten Intensitätsverlaufs I₂ proportional zueinander ist. Vorzugsweise wird durch eine geeignete Anordnung der einzelnen Messkomponenten relativ zueinander und relativ zu dem Tropfen vorgegeben, dass das Peakverhältnis des ersten Intensitätsverlaufs I₁ und das Peakverhältnis des zweiten Intensitätsverlaufs I₂ gleich ist.
Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Auswertekriterium vorab experimentell ermittelt wird. So können durch vorab durchgeführte Messungen die sich ergebenden Peakverhältnisse des refraktierten Streulichtpeaks und des reflektierten Streulichtpeaks beispielsweise für verschiedene Streuwinkel, für verschiedene Streulichtdetektoren sowie für verschiedene Dispersionen und Tropfengrößen experimentell ermittelt und in einer Datenbank gespeichert werden. Bei der Durchführung einer Messung einer unbekannten Dispersion kann dann in einfacher Weise auf das für die bei der Messung geltenden Rahmenbedingungen zutreffende Auswertekriterium zurückgegriffen werden.
Es ist ebenfalls denkbar, dass das Auswertekriterium vorab für eine vorgegebene Konfiguration der Messvorrichtung in Verbindung mit der zu messenden Dispersion theoretisch ermittelt und berechnet wird.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass das Auswertekriterium einen Bereich definiert, in den zulässige Peakverhältnisse fallen müssen, um für die Auswertung herangezogen werden zu können. Auf diese Weise können unbedeutende statistische und systematische Messungenauigkeiten berücksichtigt werden, die bei der Erfassung und Auswertung des von einem Tropfen stammenden Streulichts unvermeidbar auftreten.
Das Peakverhältnis zwischen einem refraktierten Streulichtpeak und einem reflektierten Streulichtpeak in einem zeitaufgelösten Intensitätsverlauf kann anhand der jeweiligen Amplitudenhöhe ermittelt werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass beispielsweise durch die Integration der einem einzelnen Peak zugeordneten Intensitäten, bzw. Peakflächen ermittelt und das Peakverhältnis anhand der so ermittelten Peakflächen bestimmt wird.
Bei einer Anordnung eines Streulichtdetektors in Vorwärtsrichtung, also ausgehend von dem Tropfen auf einer dem einfallenden Licht gegenüberliegenden Raumhälfte, werden regelmäßig nur ein reflektierter Streulichtpeak und ein refraktierter Streulichtpeak mit dem Streulichtdetektor erfasst. Bei einer Anordnung des Streulichtdetektors in Rückwärtsrichtung, also auf einer dem einfallenden Licht zugewandten Raumhälfte, werden neben dem reflektierten Streulichtpeak üblicherweise zwei unterschiedlich refraktierte Streulichtpeaks mit einer ausreichenden Intensität erfasst, um eine Auswertung zu ermöglichen. Die Auswertung kann bei einer Anordnung des einen Streulichtdetektors oder der beiden Streulichtdetektoren in Rückwärtsrichtung dadurch verbessert werden, dass für den ersten Intensitätsverlauf I₁ und für den zweiten Intensitätsverlauf I₂ jeweils Peakverhältnisse zwischen mehreren refraktierten Streulichtpeak und dem reflektierten Streulichtpeak ermittelt werden, und dass für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion nur diejenigen Intensitätsverläufe I₁ und I₂ berücksichtigt werden, deren Peakverhältnisse ein vorgebbares Auswertekriterium erfüllen.
In vorteilhafter Weise kann aus einem zeitlichen Abstand zwischen dem refraktierten Streulichtpeak und dem reflektierten Streulichtpeak eine Größe des Tropfens ermittelt und für die weitere Auswertung verwendet werden. Verfahren zur Ermittlung der Größe eines Tropfens aus verschiedenen Intensitätspeaks sind beispielsweise in PCT/EP 2012/066129 oder in PCT/EP 2012/066130 beschrieben. Auf diese Veröffentlichung wird Bezug genommen und es wird deren Inhalt und die Durchführung eines darin beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung einer Tropfengröße für das vorangehend beschriebene Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Eigenschaften einer Dispersion übernommen.
In Abhängigkeit von einer vorgebbaren Tropfengröße kann vorab beispielsweise ein Abschwächungsfaktor für den Durchgang des Streulichts durch das Dispersionsmedium in dem Tropfen gemessen oder berechnet werden und bei der Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften im Rahmen einer Messung eines zunächst unbekannten Tropfens verwendet werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass vorab für eine vorgegebene Tropfengröße für verschiedene Materialien und Konzentrationen der dispersen Phase eine Referenzwerttabelle erstellt wird, die bei der Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften eines zunächst unbekannten Tropfens berücksichtigt und verwendet wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und mit zwei in Vorwärtsstreuung angeordneten Streulichtdetektoren,
2 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung mit zwei Lichtquellen und mit einem in Vorwärtsstreuung angeordneten Streulichtdetektor,
3 eine schematische Darstellung eines zeitaufgelösten Intensitätsverlaufs I₁, der mit einem in Vorwärtsstreuung angeordneten Streulichtdetektor in einem ersten Streuwinkel θ_S1 erfasst wurde,
4 eine schematische Darstellung eines zeitaufgelösten Intensitätsverlaufs I₂, der von einem in Vorwärtsstreuung angeordneten Streulichtdetektor in einem zweiten Streuwinkel θ_S2 erfasst wurde,
5 eine schematische Darstellung eines zeitaufgelösten Intensitätsverlaufs I₁, bei dem lediglich beispielhaft weitere hypothetische Intensitätsverläufe mit einem abweichenden Peakverhältnis überlagert dargestellt sind,
6 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung mit einer Lichtquelle und mit zwei in Rückwärtsstreuung angeordneten Streulichtdetektoren,
7 eine schematische Darstellung eines zeitaufgelösten Intensitätsverlaufs I₁, der mit einem in Rückwärtsstreuung angeordneten Streulichtdetektor in einem ersten Streuwinkel θ_S1 erfasst wurde, und
8 eine schematische Darstellung eines zeitaufgelösten Intensitätsverlaufs I₂, der von einem in Rückwärtsstreuung angeordneten Streulichtdetektor in einem zweiten Streuwinkel θ_S2 erfasst wurde.
Bei der in 1 exemplarisch dargestellten Ausgestaltung einer Messvorrichtung bewegt sich ein Tropfen 1 in einem nicht näher dargestellten Probenraum 2 zwischen einer Lichtquelle 3 und zwei auf einer der Lichtquelle 3 gegenüberliegenden Seite des Tropfens 1 angeordneten Streulichtdetektoren 4 und 5 hindurch. Das von der Lichtquelle 3 emittierte Licht weist näherungsweise eine Gauß-Verteilung auf. Die beiden Streulichtdetektoren 4 und 5 sind relativ zu einer vorgegebenen optischen Achse 6 der Messvorrichtung so angeordnet, dass der Streulichtdetektor 4 das von der Lichtquelle 3 emittierte und an dem Tropfen 1 gestreute Streulicht in einem Streuwinkel θ_S1 erfasst, während der Streulichtdetektor 5 das von der Lichtquelle 3 emittierte und an dem Tropfen 1 gestreute Streulicht unter einem Streuwinkel θ_S2 erfasst.
Der mit dem Streulichtdetektor 4 in dem Streuwinkel θ_S1 gemessene zeitaufgelöste Intensitätsverlauf I₁ ist exemplarisch in 3 dargestellt. Der mit dem Streulichtdetektor 5 in dem Streuwinkel θ_S2 erfasste zeitaufgelöste Intensitätsverlauf I₂ des an dem Tropfen 1 gestreuten Streulichts ist exemplarisch in 4 dargestellt. Da der Streulichtdetektor 4 das an dem Tropfen 1 in Rückwärtsrichtung gestreute Streulicht erfasst und der Streulichtdetektor 5 das an dem Tropfen 1 in Vorwärtsrichtung gestreute Streulicht erfasst, weisen die beiden zeitaufgelösten Intensitätsverläufe I₁ gemäß 3 und I₂ gemäß 4 einen entgegengesetzten zeitlichen Verlauf auf.
An Stelle von einer Lichtquelle 3 und zwei Streulichtdetektoren 4 und 5 können auch zwei in Bewegungsrichtung des Tropfens 1 während der Messung beabstandet zueinander angeordnete Lichtquellen 3 und 3‘ sowie lediglich ein einziger Streulichtdetektor 4 für die Erfassung der beiden Intensitätsverläufe I₁ und I₂ verwendet werden. Eine derartige Konfiguration der Messvorrichtung ist schematisch in 2 dargestellt.
Jeder zeitaufgelöste Intensitätsverlauf I₁ und I₂ beinhaltet einen reflektierten Streulichtpeak 7 und einen refraktierten Streulichtpeak 8. Die dem reflektierten Streulichtpeak 7 zugeordneten Strahlengänge sind in den 1 und 2 jeweils mit 9 und 9‘ bezeichnet, wobei in 1 der Strahlengang 9 dem Streulichtdetektor 4 und der Strahlengang 9‘ dem Streulichtdetektor 5 zugeordnet ist, während in 2 der Strahlengang 9 der Leuchtquelle 3 und der Strahlengang 9‘ der Leuchtquelle 3‘ zugeordnet ist. Die dem refraktierten Streulichtpeak 8 zugeordneten Strahlengänge sind in den 1 und 2 ebenfalls eingezeichnet und mit 10 bzw. 10‘ bezeichnet.
Aus den beiden zeitaufgelösten Intensitätsverläufen I₁ und I₂ wird jeweils ein Peakverhältnis zwischen dem refraktierten Streulichtpeak 8 und dem reflektierten Streulichtpeak 7 ermittelt. Das Peakverhältnis wird dabei anhand der jeweiligen Amplituden oder anhand eines ermittelten Flächenintegrals der einzelnen Peaks berechnet.
Bei den exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispielen stimmt der Streuwinkel θ_S1 betragsmäßig mit dem Streuwinkel Θ_S2 überein. Wird bei einem Vergleich der beiden aus dem ersten Intensitätsverlauf I₁ und aus dem zweiten Intensitätsverlauf I₂ ermittelten Peaktverhältnissen festgestellt, dass die beiden Peakverhältnisse übereinstimmen, werden die betreffenden Intensitätsverläufe I₁ und I₂ bzw. die sich ergebenden Peakverhältnisse für die Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften des Tropfens herangezogen. Weichen die jeweils ermittelten Peakverhältnisse signifikant voneinander ab bzw. erfüllen die beiden Peakverhältnisse nicht ein vorgegebenes Auswertekriterium, so konnten bei der Messung keine vollständigen und ungestörten Intensitätsverläufe I₁ und I₂ erfasst werden und an diesem Tropfen gemessenen Intensitätsverläufe I₁ und I₂ verworfen werden.
In 5 sind exemplarisch einige theoretisch berechnete Intensitätsverläufe mit unterschiedlichen Peakverhältnissen dargestellt. Würde das refraktierte Streulicht bei dem Durchgang durch den Tropfen nicht durch Wechselwirkung mit dem flüssigen Dispersionsmediung und insbesondere mit der dispersiven Phase in dem Tropfen 1 abgeschwächt werden, so würde ein refraktiver Streulichtpeak 11 mit einem hohen Intensitätsmaximum verglichen mit dem reflektierten Streulichtpeak 7 mit dem Streulichtdetektor 4 oder 5 nachgewiesen werden können. Bei einer durchschnittlichen Wechselwirkung des refraktierten Streulichts mit der dispersiven Phase in dem Tropfen 1 ist das Intensitätsmaximum des refraktierten Streulichtpeaks 12 etwa um einen Faktor 0.2 geringer. Bei einer starken Wechselwirkung ist das Intensitätsmaximum des refraktierten Streulichtpeaks 13 um etwa einen Faktor 0.4 geringer.
Bei einem in den 6 bis 8 exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Streulichtdetektoren 4 und 5 in Rückwärtsrichtung und damit in derselben Raumhälfte wie die Leuchtquelle 3 angeordnet. Die mit diesen Streulichtdetektoren 4 und 5 gemessenen Intensitätsverläufe I₁ und I₂ zeigen jeweils einen reflektierten Streulichtpeak 7 und zwei durch unterschiedliche Modi einer Refraktion 2. Ordnung in dem Tropfen 1 erzeugte refraktive Streulichtpeaks 14 und 15.
Die dem reflektierten Streulichtpeak 7 zugeordneten Strahlengänge sind in der 6 jeweils mit 9 und 9‘ bezeichnet. Die den refraktierten Streulichtpeaks 14 und 15 zugeordneten Strahlengänge sind in der 6 jeweils mit 16 und 16‘ bzw. mit 17 und 17‘ bezeichnet, wobei die Strahlengänge 9, 16 und 17 von dem Streulichtdetektor 4 und die Strahlengänge 9‘, 16‘ und 17‘ von dem Streulichtdetektor 5 erfasst und nachgewiesen werden.
Aus den beiden zeitaufgelösten Intensitätsverläufen I₁ und I₂ können entweder jeweils ein Peakverhältnis zwischen einem der beiden refraktierten Streulichtpeaks 14 oder 15 und dem reflektierten Streulichtpeak 7 ermittelt werden, oder aber für jeden der beiden refraktierten Streulichtpeaks 14 und 15 jeweils zu dem reflektierten Streulichtpeak 7 ein Peakverhältnis ermittelt werden. Das jeweilige Peakverhältnis wird dabei anhand der jeweiligen Amplituden oder anhand eines ermittelten Flächenintegrals der einzelnen Peaks berechnet. Um zu überprüfen, ob die Intensitätsverläufe I₁ und I₂ für die Auswertung der charakteristischen Eigenschaften der dispersiven Phase in dem Tropfen herangezogen werden dürfen, können dann aus jedem der beiden Intensitätsverläufe I₁ und I₂ jeweils lediglich ein einander zugeordnetes Peakverhältnis berücksichtigt werden. Um die Zuverlässigkeit der Auswertung zu erhöhen können aber auch beide Peakverhältnisse überprüft werden und die Auswertung der beiden Intensitätsverläufe I₁ und I₂ nur dann fortgesetzt werden, falls alle einander zugeordneten Peakverhältnisse ausreichend gut übereinstimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10317807 A1 [0004]
EP 2012/066129 [0026]
EP 2012/066130 [0026]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von charakteristischen Eigenschaften einer Dispersion einer dispersen Phase in einem fluiden Dispersionsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich relativ zu einer Lichtquelle (3, 3‘) bewegender Tropfen (1) der Dispersion von der Lichtquelle (3, 3‘) beleuchtet wird, dass mit einem Streulichtdetektor (4, 5) ein zeitaufgelöster erster Intensitätsverlauf I₁ von an dem Tropfen (1) in einem ersten Streuwinkel θ_S1 gestreutem Streulicht erfasst wird, dass mit einem Streulichtdetektor (4, 5) ein zeitaufgelöster zweiter Intensitätsverlauf I₂ von an dem Tropfen (1) in einem zweiten Streulichtwinkel θ_S2 gestreutem Streulicht erfasst wird, dass für den ersten Intensitätsverlauf I₁ und für den zweiten Intensitätsverlauf I₂ jeweils ein Peakverhältnis zwischen einem refraktierten Streulichtpeak (8) und einem reflektierten Streulichtpeak (7) ermittelt wird, und dass für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion nur diejenigen Intensitätsverläufe I₁ und I₂ berücksichtigt werden, deren Peakverhältnisse ein vorgebbares Auswertekriterium erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Streuwinkel θ_S1 und der zweite Streuwinkel θ_S2 betragsmäßig gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Peakverhältnis des ersten Intensitätsverlaufs I₁ und das Peakverhältnis des zweiten Intensitätsverlaufs I₂ proportional zueinander ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Peakverhältnis des ersten Intensitätsverlaufs I₁ gleich dem Peakverhältnis des zweiten Intensitätsverlaufs I₂ ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Intensitätsverlauf I₁ und für den zweiten Intensitätsverlauf I₂ jeweils Peakverhältnisse zwischen mehreren refraktierten Streulichtpeak (8) und dem reflektierten Streulichtpeak (7) ermittelt werden, und dass für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaften der Dispersion nur diejenigen Intensitätsverläufe I₁ und I₂ berücksichtigt werden, deren Peakverhältnisse ein vorgebbares Auswertekriterium erfüllen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertekriterium vorab experimentell ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem zeitlichen Abstand des reflektierten Streulichtpeaks (7) zu mindestens einem refraktierten Streulichtpeak (8) eine Größe des Tropfens ermittelt wird.