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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Partikelgrößen und/oder
Partikelgrößenverteilungen
mittels Laserlichtbeugung nach den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruchs 1
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Solche
Vorrichtungen insbesondere mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1, sind seit längerem
bekannt und werden in vielen Anwendungsbereichen zur Partikelgrößenanalyse
von dispersen Feststoffen oder Tropfenverteilungen herangezogen
(US-Patentschrift 4,80,920). Dabei wird die Tatsache ausgenutzt,
dass ein von monochromatischem, kohärentem Licht angestahltes Partikel
in Abhängigkeit
seiner Größe Teile
dieses Lichtes unterschiedlich stark ablenkt, wobei kleine Partikel
das Licht stärker
ablenken als große Partikel.
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Diese
Ablenkung des Lichtes ist bekannt als Beugung. In einer üblichen
Anordnung gemäß 1 erzeugt ein Laser 1 gefolgt
von einer Aufweiteoptik 2 einen ausgedehnten parallelen
Messlichtstrahl 6, der die in eine Messzelle 7,
die in eine Messzone 8 angeordnet wird, eingebrachten Partikel 9 beleuchtet.
Die Partikel 9 wechselwirken mit dem Licht und erzeugen
eine Verteilung der Intensität 12 über einen
Winkel 6, gegenüber der
optischen Achse, die der Größenverteilung
der beleuchteten Partikel eindeutig entspricht. Üblicherweise wird der vorwärts gerichtete
Teil der Lichtintensitätsverteilung über den
Winkel zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung durch eine Abbildungseinrichtung
in Form einer Sammellinse 14 oder eines Linsensystems (im
folgenden Fourier-Optik genannt) mit einer positiven Brennweite
erfasst und in der Brennebene der Fourier-Optik in eine Ortsverteilung
umgewandelt. Die Ortsverteilung wird von einem in der Brennebene
zweckmäßig angeordneten
Feld von Fotodetektoren 16, z.B. einem halbkreisförmigen Multidetektor,
aufgenommen. Aus den erzeugten elektrischen Signalen, die die Ortsverteilung
der Intensitäten
widerspiegeln, der Geometrie der Detektoren, der Wellenlänge des
Lichtes und der Brennweite wird schließlich von einer Auswertungseinrichtung 20 – einem
fest oder variabel programmierbaren Computer – über einen Rechenalgorithmus
(basierend z.B. auf der Fraunhoferschen Beugung oder der Mie Theorie)
die Parikelgrößenverteilung
ermittelt. Die Partikel können
die Messzone trocken als Aerosol in einem Freistrahl dispergiert
durchqueren oder sind in einer Flüssigkeit dispergiert, die durch
die in der Messzone 8 angeordnete Messzelle 7 geleitet
wird.
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Normalerweise
ist die Messzone im parallelen Strahlengang vor der Fourier-Optik
angeordnet. Aufgrund der beschränkten
Fläche
der üblicherweise
verwendeten Fotodetektoren kann jedoch bei vorgegebener Brennweite
der Fourier-Optik nur ein bestimmter Partikelgrößenbereich vermessen werden,
da beispielsweise zur Vermessung großer Partikel eine Fourier-Optik
mit großer
Brennweite notwendig ist, um auf dem Fotodetektor eine akzeptable
Auflösung
des Beugungsbildes zu erreichen, welches durch die an den großen Partikeln nur
schwach abgelenkte Strahlung entsteht. Die große Brennweite führt zu einem
entsprechend langen bzw. großen
Gehäuse
der Messvorrichtung.
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Umgekehrt
ist zur Vermessung kleiner Partikelgrößen eine Fourier-Optik mit
entsprechend kleiner Brennweite erforderlich, die zudem eine möglichst
große
Apertur aufweisen soll, um auch die an kleinsten Partikeln sehr
stark abgelenkte Lichtstrahlung noch einzufangen. Übliche kurzbrennweitige
Fourier-Optiken lassen sich, wenn sie nicht zu kostspielig werden
dürfen,
nur durch Linsen mit vergleichsweise geringen Aperturen realisieren
und haben dabei große
Abbildungsfehler. Das hat zur Folge, dass die Partikel dicht an
der Fourier-Optik vorbeigeführt
werden müssen
und der Durchmesser des beleuchtenden Messlichtstrahles stark eingeschränkt werden
muss, wenn das unter großem
Winkel gebeugte Licht der im Randbereich des Lasers beleuchteten
Partikel noch durch die Eintrittsöffnung der Fourier-Optik auf
den Detektor fallen soll. Die kleine Brennweite lässt ein
kurzes bzw. kleines Gehäuse
der Messvorrichtung zu.
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Zur
Vermessung sehr kleiner Partikelgrößen ist deshalb vorgeschlagen
worden (europäische
Patentschrift 0 207 176 B1), die Messzone im konvergenten Strahlengang
zwischen Fourier-Optik und Fotodetektor anzuordnen. Zwar ist diese
Anordnung bis auf einen Phasenfaktor der Anordnung im parallelen
Strahlengang gleichwertig, doch bestimmt nun der Abstand zwischen
den Partikeln und dem Fotodetektor den Messbereich. Dieser Abstand
kann nicht genau definiert werden, da die Führung der Partikel durch die
Messzone für
die größten zu
vermessenden Partikel ausgelegt sein muss, weshalb es bei den die
Messzone durchströmenden kleineren
Partikeln zwangsläufig
zu einer unerwünschten
Ortsunschärfe
kommt, die sich als Messfehler äußert, weil
einige Teilchen relativ nahe am und andere relativ entfernt vom
Detektor sind. Zudem treffen die bei zu großen Winkeln gebeugten Strahlen
stark von der Senkrechten abweichend auf das Fotodetektorfeld, was eine
präzise
Intensitätsmessung
erschwert. Diese Messvorrichtigung wurde daher für feine Partikel praktisch nur
für Messungen
in Flüssigkeiten
realisiert, da man hier die Ortsunschärfe durch geeignete Wahl der
Dicke der Messzelle längs
der optischen Achse gut begrenzen kann. Die Messung räumlich ausgedehnter
feiner Aerosole, wie sie auftreten, wenn die Partikel in einem Gasstrom
trocken dispergiert in die Messzone eingeleitet werden, konnte wegen
der damit verbundenen Messfehler bisher nicht befriedigend realisiert
werden.
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Dieses
gilt weitgehend auch für
andere bekannte Vorrichtungen, die das Streulicht der Partikel unmittelbar über einen
Winkelbereich von 0 bis 30° angeordneten
Detektoren beobachtet (US-Patentschrift 4,595,291
und US-Patentschrift 4,779,003) oder die z.B. vorsehen, dass zusätzlich zu
der auf der optischen Achse befindlichen Fourier-Optik weitere Optiken
mit nachgeschalteten Detektoren um bestimmte Winkel versetzt angebracht
werden, um Intensitäten
unter größeren diskreten
Beugungswinkel zu erfassen (europäische Patentanmeldungsschrift
0 493 806 A2). Auch hier ist die mögliche Ausdehnung des Partikelkollektivs
sehr begrenzt. Zudem besteht die Schwierigkeit, dass an die Begrenzungen
des Messvolumens erhöhte
Anforderungen zu stellen sind, da neben Beugung auch Brechung, insbesondere
in den verwendeten flüssigen
Medien und in der das Messvolumen umgebende Messzelle bzw. Küvette erfolgt,
die bei der Bewertung der Winkelverteilung der Intensität berücksichtigt
werden muss. Gravierender ist jedoch, dass durch die Aufhebung der Zylinder symmetrie
zur optischen Achse nichtkugelförmige
Partikel zu fehlerhaften Messsignalen führen, da die Winkelverteilung
dann nicht mehr symmetrisch zur optischen Achse ist. Dieses gilt
im verstärkten
Masse, wenn diese nur geringfügig
durch das strömende
Medium in der Messzone ausgerichtet werden.
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Um
die Messergebnisse mit den Resultaten der verwendeten physikalischen
Modellvorstellungen (Fraunhofersche Beugung, Mie Theorie, u.a.)
möglichst
gut in Übereinstimmung
zu bringen, muss die Lichtquelle ein möglichst ideales Wellenfeld
mit hoher Kohärenz
liefern. Als Lichtquelle eignen sich daher besonders Gas-Laser,
wie z.B. der häufig
verwendete HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm, die nur in einem
sehr engen Wellenlängenbereich
emittieren und damit der Forderung nach einer einzigen Wellenlänge bzw.
nur einer Mode sehr nahekommen. Aufgrund ihrer Bauart emittieren
sie ihre Strahlung jedoch gleichzeitig in verschiedenen Moden, die
sich in der Messzone störend überlagern.
Präzisionsinstrumente
verwenden daher am Ausgang des Lasers üblicherweise die in 1 dargestellte Aufweiteoptik 2,
die aus zwei im Abstand ihrer Brennweiten angeordneten Sammellinsen 3 und 5 und
einer im Brennpunkt der Eintrittslinse befindlichen Lochblende 4 besteht
und die als Raumfilter ausgebildet ist. Wählt man das Loch klein genug
(typisch 30 μm Durchmesser)
gelangt nur die Zentral-Mode TEMOO (Transverse Electric and Magnetic
Mode 00) durch das Loch und man erhält ein nahezu ideales Wellenfeld.
Das den Laser verlassende Messstrahl ist in der Regel sehr dünn und beleuchtet
somit nur ein begrenztes Messvolumen, was insbesondere bei Verteilungen
mit wenigen groben Partikeln zu starken statistischen Fehlern führen kann.
Ferner wirkt die Begrenzung des Messstrahls als Quelle von Beugung,
etwa vergleichbar mit Beugung an Partikeln mit dem Durchmesser des
Messstrahls. Es ist daher üblich,
den Laserstrahl nicht direkt als Messlichtstrahl zu verwenden, sondern
den Durchmesser des Laserstrahls durch eine geeignete Aufweiteoptik
zunächst
so zu vergrössern,
dass er erheblich grösser
als die grössten
zu vermessenden Partikel ist (Europäische Patentanmweldungsschrift
0 465 205 A1). Nur so kann am Ort des Detektors die Beugungsinformation
der Partikel in ausreichendem Abstand von der Beugungsinformation
von der Begrenzung des Messstrahl abgebildet und detektiert werden.
Die Strahlvergrößerung ergibt
sich für
das vorstehend beschriebene Raumfilter aus dem Verhältnis der
Brennweiten der zweiten Sammellinse zu der der ersten Sammellinse.
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Da
die Brennweite der ersten Sammellinse aus Fertigungsgründen nicht
beliebig klein gewählt
werden kann, haben Aufweiteoptiken nicht selten Abmessungen, welche
die Abmessungen der an sich schon großen Laser überschreiten. Da es gilt, im
Raumfilter eine vergleichsweise kleine Blendenlochöffnung möglichst
in ihrem Zentrum zu treffen, sind aus Gründen der Stabilität Laser
und Aufweiteoptik in der Regel starr miteinander verbunden. Die
Anordnung Gaslaser/Aufweiteoptik hat typisch etwa 0,8 m Länge. Zur
Verringerung der Baulänge
des Messsystems sind Konstruktionen bekannt, bei denen der aufgeweitete
Strahl durch geeignete optische Hilfsmittel (z.B. Spiegel) gefaltet
wird. Auch wird z.T. auf Halbleiterlaser mit erheblich geringeren
Abmessungen zurückgegriffen,
wobei die erheblich schlechteren Strahleigenschaften in Kauf genommen
werden müssen.
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Allen
bisherigen Aufweiteoptiken ist gemeinsam, dass sie nur einen einzigen
Messstrahldurchmesser erzeugen, der sich üblicherweise an den Erfordernissen
der größten zu
bestimmenden Partikel orientiert. Das hat zur Folge, dass ausgedehnte
Partikelkollektive , wie sie z.B. bei der Trockendispergierung oder
als Sprühstrahl
eines Sprays entstehen, bisher nur ab einer bestimmten Mindespartikelgröße bestimmt
werden konnten. 2 stellt
diesen Zusammenhang dar. Demnach ist der maximal mögliche Arbeitsabstand
z eines Partikels 9 von der Fourier-Optik 14, das durch den Randbereich
des einfallenden parallelen Lichtstrahls 6 mit dem Durchmesser
w beleuchtet wird, angenähert
durch die Gleichung 1 beschrieben: z ≈ f
(d – w)/2D (1)
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Dabei
bezeichnet d den Durchmesser der Eintrittsöffnung der Sammellinse 14 mit
der Brennweite f und D den Abstand der opti schen Achse zum äußersten
Element des Detektorfeldes. f/D bestimmt den Messbereich, so dass
eine Anpassung des Arbeitsabstandes z bei gegebenem Durchmesser
der Fourieroptik nur über
die Strahlbreite w erfolgen kann. Für die Bestimmung feiner Partikel
muss daher der Durchmesser w des Messstrahls verringert werden,
da dem Eintrittsöffnungsdurchmesser
d der Fourier-Optik
bei kleiner Brennweite enge Grenzen gesetzt sind.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
die sich vergleichweise klein und dennoch optisch stabil aufbauen
lässt.
Ferner soll der Durchmesser des Messstrahls variabel den Erfordernissen
des jeweiligen Messbereiches stabil angepasst werden können, so
dass ausgedehnte Partikelkollektive bis herab zu feinsten Partikeln
hinsichtlich ihrer Größenverteilung
bestimmt werden können.
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Die
Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung mit mindestens einer
Laserlichtquelle, einer Beleuchtungseinheit mit einer Kollimatorlinse
zur Erzeugung eines parallelen Messlichtstrahls hoher Kohärenz aus
dem von der Laserlichtquelle abgegebenen Licht, einem als Monomodefaser
ausgebildeten Lichtleiter, auf dessen aktivem Kern am Eintrittsende
das von der Laserlichtquelle abgegebene Licht eingekoppelt wird
und dessen Austrittsende im Brennpunkt der Kollimatorlinse angeordnet
ist und dessen Austrittslichtkegel auf die Kollimatorlinse fällt, einer
Einrichtung zur Zuführung
einer dispersen Partikelprobe in eine Messzone des parallelen Messlichtstrahls,
einer Abbildungseinrichtung, die die an den Partikeln gebeugte Messlichtstrahlung
auf ein in der Brennebene der Abbildungseinrichtung angeordnetes
Feld von Fotodetektoren abbildet, und einer Auswerteinrichtung zur
Errechnung von Partikelgrößen oder
Partikelgrößenverteilungen
aus den aufgrund der Intensitätsverteilung
des Beugungsspektrums von den Fotodetektoren erzeugten elektrischen
Messsignalen.
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Das
Erfindungsproblem wird dadurch gelöst, dass der freie Durchmesser
der Kollimatorlinse dem Durchmesser des Austrittslichtkegels an
der Stelle des Auftreffens auf die Kollimatorlinse etwa gleicht
und dass zur Erzeugung unterschiedlicher Messstrahldurchmesser wahlweise
Kollimatorlinsen unterschiedlicher Brennweite und unterschiedlichen
freien Durchmessers vor das Austrittsende eines Lichtleiters bringbar
sind. Die Abstimmung sollte so sein, dass alles vom Lichtleiter
abgegebene Licht in den Messstrahl gelangt. So lässt der Lichtleiter eine veränderliche
Strahlaufweitung zu.
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Die
Aufweiteoptik wird gebildet durch den Lichtleiter, der mit Abstand
vor der Kollimatorlinse endet. Das Eintrittsende des (leichten)
Lichtleiters ist der Laserlichtquelle und dessen Austrittsende der
Kollimatorlinse fest zugeordnet. Dadurch ist eine weitgehende mechanische
Entkoppelung zwischen Laserlichtquelle und Kollimatorlinse erreicht.
Nur noch die Kollimatorlinse muss zur optischen Achse des Messsystems
ausgerichtet sein.
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Um
eine möglichst
gute Ausnutzung des von der Laserlichtquelle abgegebenen Lichts
zu erreichen, ist der Arcustangens des Verhältnisses aus halbem freien
Durchmesser und Brennweite der Kollimatorlinse etwas kleiner als
der halbe Scheitelwinkel des aus dem Lichtleiter austretenden Lichtkegels.
Eine besonders hohe Lichtausbeute ist erzielt, weil das Licht der
Lichtquelle auf den aktiven Kernbereich des Lichtleiters gebündelt ist.
Nebenmoden werden am Eintritt in den aktiven Kernbereich ausgeblendet,
indem nur die Zentralmode des Laserlichtstrahls in den aktiven Kern
des Lichtleiters eingekoppelt wird. Bei bekannten Aufweiteoptiken
mit Raumfilter ist eine Sammellinse vorgesehen, die das Licht der
Lichtquelle in das Loch der Lochblende bündelt.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden z.B. drei verschiedene Strahldurchmesser verwendet; für Messbereiche
bis ca. 87,5 μm
ein Messstrahl mit 2,2 mm Durchmesser, bis zu 875 μm Durchmesser
ein Messstrahl mit 13 mm Durchmesser und für Messbereiche darüber ein
Messstrahl mit 26 mm Durchmesser. Die Angaben bezeichnen dabei jeweils
die Posi tionen im Messstrahl, bei denen die Lichtintensität auf das
Verhältnis
1/e
2 (mit e der Eulerschen Konstanten) abgefallen
ist.
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Vor
einer Messung wird zunächst
der Messbereich z.B. anhand einer automatischen Identifikation der verwendeten
Abbildungsoptik ermittelt und über
eine Steuerungseinheit dieser mittels einer Tabelle ein Strahldurchmesser
zugeordnet und dieser dann automatisch eingestellt.
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Zur
Vergrößerung bzw.
zur Verkleinerung der Messbereiche oder zur Erhöhung der Auflösung kann – wie auch
aus der US-Patentschrift
5,155,549 bekannt – das
Licht mehrerer Lichtquellen einzeln über an ihrem kollimatorseitigen
Ende zusammengeführte
Lichtleiter (24) vor einer gemeinsam genutzten Kollimatorlinse
(5) an diese abgebbar sein. So können auch mehr Laser mit verschiedenen
Wellenlängen
gleichzeitig oder zeitlich versetzt in jeweils zugeordnete Lichtleiter
emittieren, die an ihren Austrittsenden zusammengeführt sind
und so die gleiche Kollimatorlinse verwenden. Auch können sonstige
Lichtquellen, z.B. Weißlichtquellen
etc., zeitgleich oder zeitlich versetzt auf gleiche Weise eingekoppelt
werden.
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Darüberhinaus
besteht die Möglichkeit,
z.B. gepulste Lichtquellen einschließlich gepulster Laser zusätzlich zum
Laser zu verwenden, die das Partikelkollektiv blitzlichtartig kurzzeitig
beleuchten und die Bewegung der Partikel dabei so einfrieren, dass
das Bild scheinbar ruhender Partikel durch eine zusätzliche
Abbildungsoptik mittels einer Kamera erfasst werden kann. Durch
geeignete Weiterverarbeitung eines oder mehrerer solcher Bilder
besteht die Möglichkeit,
die Partikel hinsichtlich Größe und Form
zu charakterisieren und diese Information allein oder als Ergänzung zur
Beugungsinformation zu verwenden. Dabei kann die Messzone für Beugung
und Bildverarbeitung identisch gewählt werden. So ist es möglich, z.B.
extrem große
Partikel zu vermessen, für
welche die kleinen Beugungswinkel nicht mehr auflösbar wären.
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Der
Lichtleiter ersetzt zusammen mit der jeweiligen Einkoppelung das
Raumfilter, und entkoppelt die Lichtquellen mechanisch von der Messstrahlkollimation
(= Parallelrichtung). Partikelgrößen oder
Partikelgrößenverteilungen
von ausgedehnten Partikelkollektiven, wie sie bevorzugt bei der
Erzeugung von Feststoffaerosolen oder Sprays auftreten, können so
mit einer vergleichsweise kleinen Messvorrichtung bis hin zu kleinsten
Partikelgrößen vermessen
werden. Die zur Messbereichsveränderung
erforderliche Vergrößerung oder Verkleinerung
des Abstandes des Austrittsenders des Lichtleiters von der Kollimatorlinse
kann auf verschiedene bekannte Weisen vorgenommen werden. Durch
die Verwendung mehrerer Lichtquellen werden Auflösung und Messbereich vergrößert. Eine
Bildverarbeitung zur Charakterisierung bewegter Partikel kann in
die Messanordnung integriert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:
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1 Aufbau
des Lichtstrahlverlaufs in einer bekannten Messvorrichtung zur Bestimmung
der Partikelgrößenverteilung
mittels Laserbeugung;
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2 Skizze
zur Verdeutlichung des Zusammenhanges zwischen Arbeitsabstand z
der Partikel von einer Fourieroptik und dem Messstrahldurchmesser
w;
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3 Einkoppelung
eines Laserlichtstrahls in einen Lichtleiter nach der Erfindung;
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4 Einleitung
des aus einem Lichtleiter austretenden Lichts in eine Kollimatorlinse
zur Erzeugung eines parallelen Messlichtstrahls bestimmten Durchmessers;
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5 Strahlkollimation
für mehrere
Messstrahldurchmesser;
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6 Strahlkollimation
für mehrere
Lichtquellen;
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7 Messvorrichtung
mit zwei Lichtquellen und zwei Strahlkollimatoren.
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Gegenüber den
herkömmlichen
Standardaufweiteoptiken 2 für Laser, die nach 1 aus
einer Sammellinse 3, einer im Brennpunkt angeordneten Blende 4 als
Raumfilter und einer Kollimatorlinse 5 bestehen, ist die
Blende durch einen Monomodeglasfaser-Lichtleiter 24 mit
Eintritts-stirnfläche 23 und
Austrittsstirnfläche 25 ersetzt,
der einlaßseitig
von einer Aufnahmeplatte 19 gehalten ist. Solche Glasfasern
bestehen üblicherweise
aus einem sehr engen, optisch aktivem Kern mit ca. 4 μm Durchmesser,
der von einem optisch inaktiven Mantel mit ca. 100 μm Durchmesser
umgeben ist. Sie sind hochflexibel, von geringer Dämpfung und
in nahezu beliebigen Längen
verfügbar.
Das Licht wird innerhalb der Faser durch Totalreflexion weitergeleitet.
Durch die Verwendung der Glasfaser ergibt sich zum einen eine vorteilhafte
Entkoppelung zwischen der mit der Lichtquelle verbundenen Einkoppelung
an der Eintrittsstirnfläche 23 einerseits
und der mit der optischen Achse der Messzone verbundenen Auskoppelung
an der Austrittsstirnfläche 25 andererseits.
Position und Lage des Lasers sind über die flexible Anbindung
beliebig wählbar
und die Gehäuselänge des
Messsystems kann in etwa um die Laserlänge verkürzt ausgeführt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die in 3 dargestellte
Einkoppelung verwendet. Ein Laser 1 emittiert einen parallelen
Lichtstrahl mit geringem Durchmesser. Dieser wird mittels einer Sammellinse 3 mit
kurzer Brennweite im Abstand der Brennweite dieser Linse in den
Kern eines Monomodefaser-Lichtleiters 24 eingekoppelt.
Durch angepaßte
Ver gütung
der Eintrittsfläche 23 der
Faser wird dafür
Sorge getragen, dass ein großer
Teil des Laserlichtes in die Faser eingekoppelt wird. Da der Durchmesser
des Kerns sehr klein ist, ist eine Justageeinrichtung erforderlich,
die die Eintrittsfläche 23 des
Faserkerns mit dem Brennpunkt der Linse in Übereinstimmung bringt. Dazu
ist eine zweistufige Verstelleinrichtung vorgesehen. Zunächst wird
die Faser über
eine x/y-Verschiebeeinrichtung grob justiert, anschließend wird
zur Feinjustage die Aufnahmeplatte 19 für den Lichtleiter geringfügig um die
Achse 19.1 oder 19.2 geneigt, wie dieses durch
Pfeile angedeutet ist. Nach erfolgter Justage wird die Position
der Aufnahmeplatte 19 durch Feststellschrauben gesichert.
Die Größe des Kerndurchmessers
von ca. 4 μm
ist erheblich geringer als die Durchmesser der Blendenöffnungen üblicher
Raumfilter (ca. 30 μm).
Die Kombination Linse/Lichtleiter wirkt daher als verbessertes sehr
gutes Raumfilter und blendet unerwünschte Nebenmoden sicher aus.
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Am
anderen Lichtleiterende 25 tritt das eingekoppelte Licht
mit geringfügig
durch die Dämpfung
verminderter Intensität
kegelförmlich
wieder aus. Die Intensität
verteilt sich dabei über
einen Kegel 26, dessen Scheitelwinkel durch die Bauart
des Lichtleiters bestimmt ist und etwa 15 Grad beträgt. Die
in 4 dargestellte Kollimatorlinse 5 wird
nun so angebracht, dass sich das Austrittsende 25 im vorderen Brennpunkt
der Linse befindet, während
der Durchmesser des Strahles bis zu der die Intensität auf das
1/e2-fache der Intensität abgefallen ist, nur von der
Brennweite der Kollimatorlinse bestimmt ist. Dadurch erhält man einen
parallelen Messlichtstrahl, dessen Gesamtdurchmesser nur von dem
Durchmesser der Linsenfassung 15 bestimmt ist, solange
sich die gesamte Linse innerhalb des austretenden Lichtkegels des
Lichtleiters 24 befindet. Die Strahlkollimation ist die
gleiche wie nach einer Strahlaufweitung, wenn der Durchmesser der
Austrittslinse größer als der
Durchmesser des Eingangsstrahles gewählt wird.
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In
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung wählt man
das Verhältnis
aus Linsendurchmesser und Brennweite so, dass der Arcustangens dieses
Wertes etwas kleiner ist als der halbe Scheitelwinkel des austretenden
Strahlkegels.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Wechselmechanismus vor,
mit dem abwechselnd Kollimatorlinsen mit verschiedenen Öffnungsdurchmessern
in solchem Abstand vom Austrittsende des Lichtleiters in den Strahl
gebracht werden, dass ihr Brennpunkt jeweils mit dem Faseraustritt
zur Deckung kommt. Dadurch können
wahlweise verschiedene Messstrahldurchmesser erzeugt werden, wobei
die Gesamtlichtmenge weitgehend gleich bleibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden dabei drei verschiedene Messstrahldurchmesser dadurch erzeugt,
dass wahlweise eine Linse mit kleiner Öffnung, eine Linse mit mittlerer Öffnung und
eine Linse mit großer Öffnung in
den Strahl gebracht werden. Dabei wurde die Brennweite der Linsen
wieder so gewählt, dass
die gesamte Linsenfläche
durch den austretenden Strahl beleuchtet wird. Die Linsen sind gemeinsam
auf einem verschieblichen Schlitten fest montiert, der entlang der
Pfeile 35 in 5 motorisch verschoben werden kann.
Das Austrittsende 25 des Lichtleiters ist starr auf der
optischen Achse gehalten. Die Linsen sind auf dem Schlitten so ausgerichtet,
dass, wenn man den Schlitten gegen einen hinteren Anschlag fährt, die
Linse 5' mit ihrem
Brennpunkt in die Stirnfläche
des Lichtleiters zu liegen kommt. Fährt der Schlitten gegen einen
vorderen Anschlag, so kommt die Linse mit ihrem Brennpunkt in die
Lichtleiterstirnfläche 23 zu
liegen. Schließlich
kann durch z.B. einen Hubmagneten, der Fahrweg gegen den vorderen
Anschlag so verkürzt
werden, dass die Linse 5 mit ihrem Brennpunkt in die Lichtleiterstirnfläche 23 zu
liegen kommt. Somit lassen sich wahlfrei die Strahldurchmesser A,
B, und C erzeugen.
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Vorzugsweise
erfolgt die Ansteuerung des Motors durch eine Steuereinrichtung,
die mittels Reflektionslichtschranken eine an den Fourier-Optiken
angebrachte, eindeutig den Messbereich charakterisierende Markierung
ausliest und durch ein geeignetes Programm den zugehörigen Strahldurchmesser
einstellt.
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In
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung ist zwischen dem Lichtaustrittsende und
der Linse oder der Lichtquelle und dem Eintrittsende des Lichtleiters
eine verschiebliche Blende angebracht, die den Strahlaustritt unterbricht.
Wegen des geringen Strahldurchmessers sind nur kleine Verschiebewege
der Blende erforderlich. Damit kann auf einfache Weise ein Laser-Shutter
realisiert werden, der zum Personenschutz den Lichtstrahl zur Messzone
unterbricht, wenn nicht gemessen wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung
ist die gesamte Anordnung aus 5 in einem
hermetisch geschlossenem Gehäuse
untergebracht, das für
den austretenden Lasermessstrahl mit einem Fenster versehen ist.
Die Anordnung ist dadurch gegen das Eindringen von Staub wirksam
geschützt.
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Eine
der vorstehend beschriebenen Strahlaufweitungen kann dadurch erweitert
werden, dass statt einer Lichtquelle nunmehr zwei, wie in 6 gezeigt,
oder mehrere Lichtquellen über
getrennte Monomodefaserlichtleiter dem Brennpunkt der Kollimatorlinse 5 zugeführt werden.
Diese werden dazu im Austritt unmittelbar nebeneinander angeordnet.
Wegen des geringen Durchmessers der Lichtleiter ist die Abweichung
des erzeugten Strahles von der optischen Achse sehr gering. Der
Winkel entspricht dem Arcustangens aus halbem Faserdurchmesser geteilt
durch die Brennweite. Dadurch kann bei Wechsel zwischen den Lichtquellen
auf eine erneute Ausrichtung des Fotodetektors auf die optische
Achse in der Regel verzichtet werden.
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In
einer anderen Messvorrichtung werden mehrere Laser unterschiedlicher
Wellenlänge über jeweils eigene
Lichtleiter mit eigenen Einkoppelungen zur Strahlaufweitung vor
einer einzigen Kollimatorlinse eingesetzt. Die Laser können über in die
Strahleinkoppelung integrierte Laser-Shutter zeitgleich oder nacheinander betrieben
werden, so dassß der
Fotodetektor die Beugungsinformation des Partikelkollektives zeitgleich
oder nacheinander für
verschiedene Wellenlängen
empfangen kann. Durch geeignete Wahl der Wellenlängen kann der Messbereich vergrößert werden.
So verschieben größere Wellenlängen den
Messbe reich zu größeren Partikeln,
kleinere Wellenlängen
zu kleineren Partikeln. Sind die Wellenlängen nicht um ganzzahlige Vielfache verschieden,
ergibt sich durch Vergleich der Detektorsignale für verschiedene
Wellenlängen
eine Erhöhung der
Anzahl der ausgegebenen Partikelgrößenklassen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird für
eine oder mehrere Lichtquellen der Laser durch eine Lampe 31 ersetzt,
die Licht breitbandig oder eingeengt durch vorgeschaltete Filter
schmalbandig emittiert. Gemäß 7 besteht
die Möglichkeit,
Lichtbeugung mit Streulichtmessungen zur Partikelgrößenanalyse
zu kombinieren, wobei das beleuchtete Partikelkollektiv unabhängig von
der beleuchtenden Lichtquelle ist, d.h. man erhält die Beugungsinformationen
und Streulichtinformationen von denselben Partikeln.
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In
einer anderen Ausführung
ist eine der beleuchtenden Lichtquellen als Pulslaser oder Blitzlichtlampe ausgeführt. Dadurch
wird das Partikelkollektiv sehr kurzzeitig extrem stark beleuchtet.
Innerhalb der kurzen Zeitspanne (bei Pulslasern typisch 10 ns),
bewegen sich die Partikel bei üblichen
Partikelgeschwindigkeiten von deutlich weniger als 100 m/s bezogen
auf ihren Durchmesser nur um eine sehr kurze Strecke weiter (im Vorstehenden
Beispiel 1 μm).
Für Partikel
ab etwa 10 μm
erhält
man dadurch ein Standbild, das über
eine Abbildungsoptik in Strahlrichtung oder unter einem Winkel dazu
erfasst und auf die Aufnahmefläche
einer TV-Kamera, z.B, einer CCD-Kamera, abgebildet wird. Die Kamera
wandelt dieses Bild in elektrische Signale um, die der Helligkeit
der Bildelemente entsprechen. Wird die Blendenöffnungszeit der Kamera mit
dem Beleuchtungspuls synchronisiert, erfasst die Kamera ein Standbild
des Partikelkollektives. Durch ein nachgeschaltetes Auswerteverfahren
können
die Partikel identifiziert und in Größe und Form analysiert werden.
Zur Verbesserung der Statistik kann das Verfahren für mehrere
aufeinanderfolgende Lichtpulse wiederholt werden.
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Die
Auswertung der vom Fotodetektorfeld erzeugten Messsignale zur Errechnung
der Partikelgrößen oder
Partikelgrößenverteilung kann
in einer an sich bekannten Auswerteeinrichtung, z.B. einem programmierbaren
Computer, auf bekannte Weise mit bekannten Algorithmen erfolgen,
weshalb auf eine nähere
Beschreibung verzichtet ist.
