DE19610439C2

DE19610439C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Albedo eines beliebig geformten Partikels

Info

Publication number: DE19610439C2
Application number: DE19610439A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Phys Sasse
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1996-03-16
Publication date: 1998-11-26
Anticipated expiration: 2016-03-17
Also published as: DE19610439A1; DE19610438A1; DE19610438C2; GB9608197D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Albedo oder der Lichtabsorption eines beliebig geformten Partikels, wobei die Lichtabsorption (1-Albedo) beträgt.

Aus der DE-AS 22 04 079 ist eine Vorrichtung zum Messen an Partikeln und ein entsprechendes Verfahren bekannt, wobei Partikel in eine Ulbricht-Kugel eingebracht werden, die von einem über eine Eintrittsöffnung eintretenden Meßlichtstrahl durchsetzt ist und die eine Austrittsöffnung aufweist, wobei das Partikel mit dem Meßlichtstrahl angestrahlt wird und wobei die Intensität der partikelbeeinflußten diffusen Strahlung in der Ulbricht-Kugel gemessen wird mittels eines Sensors, der durch eine Blende von direkt von dem Partikel reflektierten Licht abgeschattet ist.

Ferner sind in der DE 36 05 436 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Lichtabsorption von transparenten Lackschichten offenbart, wobei ein Meßlichtstrahl durch eine mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung ver sehene Ulbricht-Kugel auf die Lackschicht gerichtet wird, das durch die Lackschicht tranmittierte, an einer Metallober fläche reflektierte und erneut durch die Lackschicht durch gelassene Licht zu diffuser Strahlung in der Ulbricht-Kugel führt und diese diffuse Strahlung durch einen Sensor gemessen wird.

Schließlich sind in der DE 33 16 170 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen an Aerosolteilchen, also Partikeln, be schrieben, wobei ein die Partikel enthaltendes Prüfvolumen in einem Meßraum einem diesen Meßraum durchsetzenden Meßstrahl ausgesetzt wird und mittels eines Sensors die Intensität der durch den Meßraum durchgetretenen, partikelbeeinflußten Strahlung gemessen wird, wobei ferner ein Referenzvolumen in einem gleichartigen Meßraum von einem gleichartigen Meßstrahl durchsetzt wird und mittels eines Sensors die Intensität der durch den Meßraum durchgetretenen, durch das Referenzvolumen beeinflußten Strahlung gemessen wird und wobei schließlich aus der Differenz der gemessenen Intensitäten kontinuierlich die Menge der Partikel im Prüfvolumen ermittelt wird.

Bislang ist kein Verfahren bekannt, mit welchem sich die Albedo- und der Emissionsgrad eines einzelnen beliebig geformten Partikels mit einer Größe, für welche die Gesetze der geometrischen Optik gültig sind, bestimmen lassen.

Es sind nur rechnerische Verfahren dann möglich, wenn der Brechungsindex bekannt ist und das Partikel eine ideal sphärische, zylindrische oder ellipsoidische Form aufweist.

Bei Partikeln mit irregulärer, das heißt beliebiger Form ver sagen jedoch diese rechnerischen Verfahren.

Die Bedeutung der Albedo und des Emissionsgrades eines Par tikels ist zum Beispiel für die Farbstoffindustrie bei der Herstellung von Pigmenten oder für die Emissionsgradbestim mung in Industrieöfen von Bedeutung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Albedo eines beliebig geformten Partikels zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Partikel elektrostatisch aufgeladen und mittels eines elek trischen Feldes in einer Ulbricht-Kugel berührungsfrei posi tioniert wird, daß das so positionierte Partikel mit einem die Ulbricht-Kugel durchsetzenden Meßlichtstrahl mit definierter Intensität, mit definiertem Strahlquerschnitt und definierter Intensitätsverteilung über diesem angestrahlt wird, daß mittels eines Sensors die Intensität der ausschließlich partikelbedingten diffusen Strahlung in der Ulbricht-Kugel gemessen wird, daß die vom Meßlichtstrahl ausgeleuchtete Partikelquerschnittsfläche bestimmt wird, daß in derselben Weise bei einem Refernzpartikel mit bekannter Albedo die Intensität der auschließliche referenzpartikelbe dingten diffusen Strahlung gemessen wird und daß aus dem Verhältnis der Intensitäten der partikelbedingten und der referenzpar tikelbedingten diffusen Strahlung unter Berücksichtigung der vom Meßlichstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche sowie der Referenzpartikelquerschnittsfläche die Albedo des Partikels ermittelt wird.

Mit diesem erfindungsgemäßen Meßverfahren ist somit die Mög lichkeit geschaffen, bei beliebig geformten Partikeln die Albedo zu bestimmen und ausgehend von der Albedo auch den Emissionsgrad dieses beliebig geformten Partikels.

Dabei kann die vom Meßlichtstrahl ausgeleuchtete Partikel querschnittsfläche vor oder nach oder gleichzeitig mit Messung der Intensität der partikelbedingten diffusen Strah lung in der Ulbricht-Kugel erfolgen.

Ferner wird das Partikel zur Messung der Intensität der par tikelbedingte diffusen Strahlung vorzugsweise nahe des Mittelpunkts der Ulbricht-Kugel positioniert.

Rein prinzipiell wäre es im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung denkbar, das Partikel und das Referenzpartikel jeweils mittels eines elektrischen Gleichfeldes berührungsfrei in der Ulbricht-Kugel zu positionieren. Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, daß das Partikel und das Referenz partikel jeweils für sich mittels eines elektrischen Gleich- und eines elektrischen Wechselfeldes berührungsfrei positio niert werden, wobei das elektrische Wechselfeld dem elek trischen Gleichfeld überlagert ist und die Kombination beider ein Potentialminimum für das elektrostatisch geladene Parti kel ergibt.

Das Potentialminimum liegt dabei vorzugsweise nahe des Mittelpunkts der Ulrbicht-Kugel.

Für die erfindungsgemäße Lösung läßt sich die Intensität und die Intensitätsverteilung des Meßlichtstrahls beispielsweise mit einem üblichen Intensitätsmeßgerät bestimmen. Um jedoch den Einfluß der Ulbricht-Kugel unmittelbar berücksichtigen zu können, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Intensität des Meßlichtstrahls nach Durchstrahlung der Ulbricht-Kugel ohne Anstrahlen des Partikels und Messung der Intensität bestimmt wird. Hiermit sind sämtliche Einflüsse der Ulbricht-Kugel und auch der in dieser angeordneten Elektroden für die Erzeugung des elektrischen Feldes bereits bei der Messung der Intensität des Meßlichtstrahls berücksichtigt.

Die Bestimmung der Intensität des Meßlichtstrahls kann bei spielsweise bereits zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu welchem noch kein Partikel in dem elektrischen Feld berührungsfrei positioniert ist.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Bestimmung der Intensität des Meßlichtstrahls durch Einstrahlen in die Ulbricht-Kugel bereits zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu welchem das Partikel oder das Referenzpartikel bereits in dem elek trischen Feld in der Ulbricht-Kugel positioniert ist. Hierzu wird vorzugsweise dann das Partikel oder das Referenzpartikel neben dem Meßlichtstrahl positioniert, was durch Einstellen des elektrischen Gleich- und des elektrischen Wechselfeldes möglich ist.

Besonders präzise ist die Messung dann, wenn zur Bestimmung der Intensität des Meßlichtstrahls und zur Bestimmung der Intensität der diffusen partikelbedingten Strahlung in der Ulbricht-Kugel der Meßlichtstrahl und die Ulbricht-Kugel un verändert zueinander positioniert bleiben.

Dies läßt sich besonders einfach dann realisieren, wenn zu nächst zur Bestimmung der Intensität des Meßlichtstrahls das Partikel neben dem Meßlichtstrahl positioniert wird und dann zur Bestimmung der Intensität der diffusen partikelbedingten Strahlung das Partikel lediglich in den Meßlichtstrahl hineinbewegt werden muß.

Um eine exakte Ermittlung der Albedo des Partikels durch führen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Inten sitätsverteilung des Meßlichtstrahls in jedem Punkt der Strahlquerschnittsfläche desselben ermittelt wird.

Eine hierzu alternative Lösung sieht vor, daß ein Meßlicht strahl mit einer über seiner Querschnittsfläche im wesent lichen gaußförmige Intensitätsverteilung verwendet wird, so daß lediglich noch die Bestimmung der Strahlquerschnitts fläche erforderlich ist.

Hinsichtlich der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikel querschnittsfläche wurden bislang keine näheren Angaben ge macht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die vom Meßlichtstrahl ausgeleuchtete Partikelquer schnittsfläche durch Projektion eines Schattenumrisses des im Meßlichtstrahl positionierten Partikels in Ausbreitungsrich tung des Meßlichtstrahls auf eine Projektionsfläche ermittelt wird.

Dies läßt sich besonders einfach dann realisieren, wenn die Projektionsfläche außerhalb der Ulbricht-Kugel angeordnet wird.

Da die Partikel in der Regel sehr klein sind, ist es beson ders vorteilhaft, wenn der Schattenumriß des Partikels durch eine Projektionsoptik vergrößert auf der Projektionsfläche abgebildet wird, so daß der Schattenumriß des Partikels deutlicher sichtbar ist.

Der Schattenumriß auf der Projektionsfläche könnte dabei bei spielsweise direkt beobachtet werden. Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Projektionsfläche durch eine Oberfläche eines photosensitiven Speicherelements gebildet wird, wobei dieses Speicherelement im einfachsten Fall ein üblicher foto grafischer Film sein kann.

Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Projektionsfläche durch die Oberfläche einer elektronischen Bilderfassungsein heit gebildet wird, da sich mit dieser elektronischen Bilder fassungseinheit der Schattenumriß wesentlich vorteilhafter speichern und auswerten läßt.

Um eine sehr große Genauigkeit bei der Auswertung der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche zu erhalten ist vorzugsweise vorgesehen, daß zur Messung der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche der Meßlichtstrahl und das Partikel in derselben Position relativ zueinander stehen wie bei der Messung der Intensität der diffusen partikelbeeinflußten Strahlung in der Ulbricht- Kugel.

Rein theoretisch wäre es denkbar, auch bereits bei teilweise ausgeleuchteter Partikelquerschnittsfläche diese zu erfassen und die Messung der diffusen partikelbedingten diffusen Strahlung durchzuführen, um hieraus die Albedo zu ermitteln.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Partikel zur Messung der Intensität der diffusen partikelbedingten Strah lung in der Ulbricht-Kugel bei angestrahltem Partikel als Ganzes innerhalb des Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls positioniert wird, so daß die gesamte Partikelquerschnitts fläche in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitung des Meßlicht strahls ausgeleuchtet ist.

Diese Vorgehensweise erleichtert im übrigen auch die Ermitt lung der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquer schnittsfläche durch Projektion des Schattenumrisses auf die Projektionsfläche.

Hinsichtlich der Größe und Bestimmung der Referenzpartikel querschnittsfläche wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So ist es beispielsweise bei einem Referenz partikel möglich, bereits mit einem solchen mit bekannter Referenzpartikelquerschnittsfläche zu arbeiten.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Bestimmung der Referenzpartikelquerschnittsfläche in gleicher Weise erfolgt wie die der Partikelquerschnittsfläche, so daß durch die Referenzpartikelquerschnittsfläche beispielsweise eine weitere Eichung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist.

Darüber hinaus hat es als vorteilhaft erwiesen, wenn die Aus leuchtung der Referenzpartikelquerschnittsfläche in gleicher Weise bestimmt wird wie bei der Partikelquerschnittsfläche, so daß sichergestellt ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Ver fahren nur der von dem Meßlichtstrahl ausgeleuchtete Teil der Referenzpartikelquerschnittsfläche in die Bestimmung der Albedo eingeht. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn das Partikel und das Referenzpartikel in demselben Querschnitts bereich des Meßlichtstrahls positioniert werden, so daß mit denselben Intensitätsverhältnissen, insbesondere bei im Quer schnitt ungleichmäßiger Intensitätsverteilung, die Bestimmung der Albedo erfolgen kann.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Albedo oder Lichtabsorption von beliebig geformten Partikeln, welche erfindungsgemäß dadurch gekenn zeichnet ist, daß die Vorrichtung eine Elektrodenanordnung zur berührungsfreien Positionierung eines elektrostatisch geladenen Partikels aufweist, daß die Elektrodenanordnung von einer Ulbricht-Kugel umgeben ist, daß die Ulbricht-Kugel mit einem Sensor zur Messung der diffus reflektierten Strahlung in der Ulbricht-Kugel versehen ist und daß die Ulbricht-Kugel eine Eintrittsöffnung für einen Meßlichtstrahl zum Anstrahlen des von der Elektrodenanordnung berührungsfrei gehaltenen Partikels aufweist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, daß diese die Möglichkeit schafft, einerseits das Par tikel im Meßlichtstrahl zu positionieren und um die partikel beeinflußte diffus reflektierte Strahlung innerhalb der Ulbricht-Kugel zu erfassen und aus dieser Intensität der par tikelbeeinflußten diffusen Strahlung die Lichtabsorption des Partikels unter Heranziehung der Intensität des Meßlicht strahls und der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Quer schnittsfläche des Partikels zu bestimmen.

Die Elektrodenanordnung kann beliebig ausgebildet sein, sofern sich mit dieser eine Positionierung eines elektrisch geladenen Partikels realisieren läßt. So wäre es beispiels weise ausreichend, wenn die Elektrodenanordnung zwei Ring elektroden aufweist.

Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Elektrodenan ordnung zwei Ringelektroden zur Erzeugung eines elektrischen Gleichfeldes und zwei Ringelektroden zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes aufweist, da mit dieser Lösung eine höhere Stabilität der Partikel bei der Positionierung erreichbar ist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Elektroden für das Wechselfeld und das Gleichfeld voneinander getrennt ange ordnet sind.

Vorzugsweise sind die Wechselfeldelektroden zwischen den Gleichfeldelektroden angeordnet, wodurch sich das Partikel besser stabilisieren läßt.

Noch vorteilhafter für die Stabilisierung des Partikels ist es, wenn die Wechselfeldelektroden einen größeren Durchmesser als die Gleichfeldelektroden aufweisen.

Eine Ulbricht-Kugel im Sinne dieser Erfindung wird gebildet durch eine kugelförmige Innenfläche eines Kugelgehäuses, welche mit einer das Meßlicht diffus reflektierenden Be schichtung versehen ist.

Diese Beschichtung ist beispielsweise im Fall des sichtbaren Lichtes eine weiße diffus reflektierende Beschichtung, im Fall von Infrarotlicht beispielsweise eine Goldbeschichtung.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Elektroden der Elektrodenanordnung mit derselben diffus reflektierenden Beschichtung versehen sind, die auch die Ulbricht-Kugel auf weist.

Ferner ist vorgesehen, daß der Sensor mit einer direkt von dem Partikel reflektiertes Meßlicht abschattenden Abschirm blende versehen ist, um sicherzustellen, daß der Sensor lediglich die Intensität des diffus in der Ulbricht-Kugel reflektierten Lichtes mißt.

Der Sensor kann in unterschiedlichster Art und Weise ausge bildet sein. Er muß jedoch für die Messung der Intensität des Meßlichts geeignet sein. So ist beispielsweise bei Verwendung von im sichtbaren Bereich liegendem Meßlicht ein Photo multiplier oder eine Photodiode verwendbar, während im Infraroten beispielsweise infrarotempfindliche Dioden Ver wendung finden.

Um außerdem die Möglichkeit zu schaffen, den Meßlichtstrahl durch die Ulbricht-Kugel hindurchtreten zu lassen, insbeson dere zur Bestimmung der ausgeleuchteten Partikelquerschnitts fläche, ist die Ulbricht-Kugel vorzugsweise mit einer der Eintrittsöffnung für den Meßstrahl gegenüberliegenden und verschließbaren Austrittsöffnung versehen.

Diese Austrittsöffnung ist für die Messung der Intensität der diffus in der Ulbricht-Kugel reflektierten Strahlung ver schließbar, während die Austrittsöffnung für die Bestimmung der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnitts fläche geöffnet ist.

Vorzugsweise ist zur Vereinfachung der Bestimmung der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche vorgesehen, daß der aus der Austrittsöffnung austretende Meß lichtstrahl mittels einer Projektionsoptik auf eine Projek tionsfläche abbildbar ist.

Vorzugsweise ist dabei die Projektionsoptik so dimensioniert, daß durch diese das in der Elektrodenanordnung berührungsfrei positionierte Partikel auf die Projektionsfläche vergrößert abbildbar ist. Vorzugsweise wird mit einer mehrfachen, bei spielsweise einer 10-fachen Vergrößerung, gearbeitet.

Die Projektionsfläche kann ihrerseits beispielsweise durch die Oberfläche eines photosensitiven Elements gebildet sein. Ein derartiges photosensitives Element könnte beispielsweise ein fotografischer Film sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Projektionsfläche durch eine photosensitive Oberfläche einer elektronischen Kamera gebildet ist, da diese die Auswertung der Abbildung, insbesondere des auf die Projektionsfläche projizierten Schattenumrisses des Par tikels, erleichtert.

Hinsichtlich des verwendeten Meßlichtstrahls wurden im Zu sammenhang mit der Erläuterung der bisherigen Ausführungsbei spiele keine näheren Angaben gemacht. Beispielsweise wird als Meßlicht sichtbares Licht im Spektralbereich zwischen unge fähr 200 nm und ungefähr 800 nm verwendet.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, Infrarotlicht zu ver wenden, sofern die Absorption des Partikels im Infraroten bestimmt werden soll.

Ferner kann als Meßlichtquelle eine Lampe verwendet werden. Aufgrund der vorteilhaften Abbildungseigenschaften von Laser strahlen ist es jedoch vorteilhafter, als Meßlichtquelle einen Laser zu verwenden, welcher vorzugsweise mit einer Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichtes arbeitet. Im einfachsten Fall ist hierzu ein Helium-Neon-Laser vorgesehen, der ferner den Vorteil hat, ein über seinem Strahlquerschnitt im wesentlichen konstantes Intensitätsprofil aufzuweisen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar stellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung mit geschnittener Ulbricht-Kugel;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Messung der Absorption und Steuerung von Meßlicht durch das Partikel sowie eine schematische Dar stellung einer Messung der ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines auf eine Projektionsfläche projizierten Schattenum risses des Partikels zur Bestimmung der vom Meßlichtschal ausgeleuchteten Partikelquer schnittsfläche.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer Vor richtung zur Messung der Absorption von beliebig geformten Partikeln umfaßt ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Kugelge häuse, welches eine innere kugelförmige Fläche 12 aufweist, die zur Bildung einer diffus reflektierenden Ulbricht-Kugel 15 mit einer diffus reflektierenden Beschichtung 14 versehen ist. Die diffus reflektierende Beschichtung 14 besteht dabei beispielsweise aus einem weißen, diffus reflektierenden Lack, sofern die Absorption beliebig geformter Partikel von sicht barem Licht gemessen werden soll oder beispielsweise aus einer Goldbeschichtung, sofern als Licht längerwelliges Licht, beispielsweise Infrarotlicht Verwendung findet.

Der Durchmesser der kugelförmigen Fläche 12 beträgt ungefähr 120 mm.

Das Kugelgehäuse 10 umfaßt ferner eine Eintrittsöffnung 16 und eine Austrittsöffnung 18, welche so angeordnet sind, daß ein Meßlichtstrahl 20 durch die Eintrittsöffnung 16 in einen von der kugelförmigen Fläche 12 umschlossenen Innenraum 22 der Ulbricht-Kugel 15 eintreten, diesen parallel zu einer durch einen Mittelpunkt 24 der Ulbricht-Kugel 15 hindurch verlaufenden Geraden 26 durchsetzen und durch die Austritts öffnung 18 wieder austreten kann.

Die Austrittsöffnung 18 hat vorzugsweise einen Durchmesser, welcher dem doppelten Durchmesser des Meßlichtstrahls 20 ent spricht.

Der Meßlichtstrahl 20 ist dabei vorzugsweise ein Laserstrahl, welcher von einem Laserkopf 28 erzeugt wird.

Symmetrisch zur Geraden 26 und zum Mittelpunkt 24 der Ulbricht-Kugel 14 ist in dem Innenraum 22 eine Elektrodenan ordnung 30 vorgesehen, welche zwei symmetrisch zur Geraden 26 und zum Mittelpunkt 24 angeordnete Wechselfeldelektroden 32, 34 umfaßt, und zwei ebenfalls symmetrisch zur Geraden 26 und zum Mittelpunkt 24 angeordnete Gleichfeldelektroden 36, 38. Die Elektroden 32 bis 38 sind dabei als Kreisringe ausgebil det, die alle koaxial zu einer Elektrodenachse 40 angeordnet sind, wobei die beiden Kreisringe der Wechselfeldelektroden 32, 34 zwischen den Kreisringen der Gleichfeldelektroden 36, 38 liegen und außerdem die Kreisringe der Wechselfeldelektro den 32, 34 einen Durchmesser aufweisen, der ungefähr das Doppelte des Durchmessers der Ringe der Gleichfeldelektroden 36, 38 beträgt.

Die beiden Wechselfeldelektroden 32, 34 sind dabei mit einem Wechselspannungsgenerator 42 verbunden, während die beiden Gleichfeldelektroden 36, 38 mit einem Gleichspannungsgene rator 44 verbunden sind.

Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Gleichfeldelektro den 36, 38 liegt dabei in einem Bereich von größenordnungs mäßig 400 Volt, während die Wechselspannung in einem Bereich von ungefähr 3500 bis ungefähr 4500 Volt liegt, wobei die Frequenz der Wechselspannung größenordnungsmäßg 50 Hz beträgt.

Die Überlagerung des von den Wechselfeldelektroden 32, 34 erzeugten Wechselfeldes und des von den Gleichfeldelektroden 36, 38 erzeugten Gleichfeldes ergibt im Zentrum der Elek trodenanordnung 30, vorzugsweise nahe dem Mittelpunkt 24 der kugelförmigen Fläche 12 ein Potentialminimum für ein elek trostatisch geladenes Partikel, wobei die Partikelgröße vor zugsweise zwischen ungefähr 0,1 µm bis ungefähr 500 µm liegt. Ein derartiges Partikel kann in dem von dem Wechselfeld und dem Gleichfeld gebildeten Potentialminimum gehalten werden, wobei das Gleichfeld vorzugsweise ungefähr parallel zur Gravitationsrichtung verläuft.

Eine genaue Beschreibung des Haltens eines geladenen Par tikels in dem Potentialminimum und eine Berechnung des Feldes ergibt sich aus dem Artikel von Davis et al., "The double ring electrodynamic balance for microparticle characteriza tion", Rev. Sci. Instruments, April 1990 S. 1281-1288.

Um ferner keinerlei Beeinflussung der diffusen Strahlung im Innenraum 22 der Ulbricht-Kugel 15 durch die Elektrodenan ordnung 30 zu erhalten, sind sowohl die Wechselfeldelektroden 32, 34, als auch die Gleichfeldelektroden 36, 38 mit der selben diffus reflektierenden Beschichtung 14 versehen, wie die kugelförmige Fläche 12 zur Bildung der Ulbricht-Kugel 15.

Die kugelförmige Fläche 12 ist ferner noch mit einer Sensoröffnung 46 versehen, welche seitlich der Geraden 26 liegt und gegen direkten Eintritt von im Bereich des Mittel punkts 24 reflektiertem Licht durch eine Abschirmblende 48 abgeschirmt ist, so daß in die Sensoröffnung 46 lediglich diffus reflektierte Strahlung eintreten und auf einen Sensor 50 zur Erfassung von deren Intensität auftreffen kann.

Dieser Sensor 50 ist seinerseits mit einer Meßwerterfassungs einheit 52 verbunden.

Der Meßlichtstrahl 20 tritt durch die Austrittsöffnung 18 aus dem Kugelgehäuse 10 aus und in eine als Ganzes mit 64 be zeichnete Abbildungsoptik ein, welche beispielsweise zwei Linsen 66, 68 aufweist, welche so justiert sind, daß ein im Mittelpunkt 24 angeordnetes Partikel auf eine Projektions fläche 70 vergrößert abgebildet wird, welche im vorliegenden Fall von einer fotoempfindlichen Oberfläche einer als Ganzes mit 72 bezeichneten CCD-Kamera gebildet wird die kombiniert mit einer Auswerteeinheit 74 die Bestimmung eines Schatten umrisses eines im Mittelpunkt 24 positionierten Partikels in noch später zu beschreibender Weise erlaubt.

Zur Messung der Albedo eines Partikels wird eine Vielzahl von Partikeln beispielsweise durch einen mittels Reibung elektro statisch geladenen Stab durch Ladungsübertragung aufgeladen, wobei die Partikel dann an dem Stab haften.

Durch Einführen des Stabes in die Elektrodenanordnung 30 und leichtes Klopfen lösen sich einige geladene Partikel von dem Stab und werden dann von dem elektrischen Feld der Elektro denanordnung 30 in Schwebe gehalten.

Die Vielzahl der Partikel läßt sich dadurch reduzieren, daß die Wechselspannung für die Wechselfeldelektroden 32, 34 so lange variiert wird, bis nur noch ein Partikel in dem elek trischen Feld der Elektrodenanordnung 30 vorhanden ist.

Dieses einzelne Partikel 80 kann nun durch Variation der Felder in der Elektrodenanordnung längs der Elektrodenachse 40 definiert und stationär durch entsprechende Einstellung der elektrischen Felder der Elektrodenanordnung 30 posi tioniert werden.

Zur Messung der Intensität der ausschließlich an dem jewei ligen Partikel 80 gestreuten Strahlung des Meßlichtstrahls wird nun, wie in Fig. 2 dargestellt, das einzelne Partikel 80 innerhalb eines Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls 20 positioniert, welcher beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 1 mm aufweist, wobei das Partikel 80 - wie bereits angegeben - eine Größe zwischen ungefähr 0,1 µm und ungefähr 500 µm aufweist.

Das einzelne Partikel 80, welches vorzugsweise nahe des Mittelpunkts 24 der Ulbricht-Kugel 15 positioniert ist, absorbiert und reflektiert ausschließlich das auf dieses auf treffende Meßlicht des Meßlichtstrahls 20 und der nicht auf das Partikel 80 auftreffende Teil des Meßlichtstrahls 20 ver läßt durch die Austrittsöffnung 18 die Ulbricht-Kugel 15.

Die diffus reflektierte Strahlung im Innenraum 22 der Ulbricht-Kugel 15 hat dann, wenn das Partikel 80 Meßlicht ab sorbiert und wieder emittiert eine bestimmte ausschließlich partikelbedingte Intensität I, welche mit der Meßwert erfassungseinheit 52 erfaßt wird.

Zur Erfassung der exakten Position des Partikels 80 im Meß lichtstrahl 20 und zur Erfassung der vom Meßlichtstrahl ange strahlten Querschnittsfläche des Partikels 80 wird der Teil des Meßlichtstrahls 20, der durch die Austrittsöffnung 18 hindurch austritt analysiert, wobei die Abbildungsoptik 64 den Schattenumriß des im Meßlichtstrahl 20 enthaltenen Par tikels 80 auf die Projektionsfläche 70 abbildet, so daß, wie in Fig. 3 dargestellt, auf der Projektionsfläche 70 ein innerer abgeschatteter Bereich 82 zu sehen ist, welcher bis zu einer Schattenumrißlinie 84 reicht und außerhalb der Schattenumrißlinie 84 ein ausgeleuchteter Bereich 86 erkenn bar ist, welcher bis zu einer äußeren Begrenzungslinie 88 reicht, welche der äußeren Begrenzung des Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls 20 entspricht und die Bestimmung der Strahlquerschnittsfläche erlaubt.

Vorzugsweise wird dabei das einzelne Partikel 80 stets so positioniert, daß der ausgeleuchtete Bereich 86 noch das Par tikel 80 vollständig umgibt, das heißt, daß das Partikel 80 über seine gesamte, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Meßlichtstrahls 20 verlaufende Partikelquerschnittsfläche vom Meßlichtstrahl 20 ausgeleuchtet ist.

Aus der auf der Projektionsfläche 70 entstehenden Schatten umrißlinie 84, die vorzugsweise mittels der CCD-Kamera 72 und der Auswerteeinheit 74 erfaßt wird, läßt sich in einfacher Weise die in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Meßlichtstrahls 20 ausgeleuchtete Partikelquerschnitts fläche des Partikels 80 errechnen.

Für die Berechnung der Albedo des Partikels 80 ist es ferner noch maßgebend, wie die Intensitätsverteilung innerhalb der äußeren Begrenzungslinie 88 des Meßlichtstrahls 20 ausge bildet ist. Diese läßt sich mit einem üblichen, für Laser strahlen verwendeten Meßgerät erfassen. Im einfachsten Fall wird ein Laserstrahl verwendet, welcher innerhalb der äußeren Begrenzungslinie 88 eine im wesentlichen gaußförmige Inten sitätsverteilung aufweist. Bei relativ zum Strahldurchmesser kleinem Durchmesser des Partikels 80 ist es nicht notwendig, daß die relative Lage der Schattenumrißlinie 84 zur äußeren Begrenzungslinie 88 zusätzlich bei der Berechnung der Albedo berücksichtigt werden muß.

Zur Bestimmung der Albedo werden zwei Messungen, nämlich eine Messung an einem Referenzpartikel 80R und eine Messung an dem interessierenden Partikel 80 durchgeführt.

Bei dem Referenzpartikel wird vorzugsweise ein Partikel 80R aus einem nichtabsorbierenden Material eingesetzt und dann die Intensität I_R der ausschließlich referenzpartikelbe dingten diffus reflektierten Strahlung im Innenraum 22 der Ulbricht-Kugel 15 gemessen.

Im einfachsten Fall ist bei dem Referenzpartikel 80R der Duchmesser bekannt, so daß dieser nicht bestimmt werden muß. In diesem Fall kann aber die vorstehend beschriebene Methode zur Bestimmung des Durchmessers kalibriert werden.

Ist der Durchmesser des Referenzpartikels nicht bekannt, so wird er, wie beschrieben, durch Abbildung auf die Projektionsfläche 70 bestimmt.

Die gemessene Intensität I_R entspricht dabei

wobei
I_R: Intensität des partikelbedingten diffus gestreuten Meßlichts,
W_R: Albedo des Referenzpartikels 80R,
R_R: Radius des Referenzpartikels 80R,
I(r): radiusabhängige Intensitätsverteilung im Meß lichtstrahl 20,

ist. Im Fall eines Gaußprofils des Meßlichstrahls 20 ergibt sich

wobei
D_R: Durchmesser des Referenzpartikels 80R
D_L: Durchmesser des Meßlichtstrahls 20
I_L: maximal Intensität des Meßlichstrahls 20
ist.

In der beschriebenen Weise erfolgt auch die Messung der Intensität I_P der diffus ausschließlich partikelbedingten relektierte Strahlung und die Bestimmung des Durchmessers D beim interessierenden Partikel 80.

Die gemessene Intensität I_P entspricht dabei

wobei
I_P: Intensität des partikelbedingten diffus gestreuten Meßlichts,
W_P: Albedo des Partikels 80
R_P: Radius des Partikels 80
I(r): radiusabhängige Intensitätsverteilung im Meßlichtstrahl 20
ist.

Im Fall eines Gaußprofils des Meßlichtstrahls ergibt sich:

wobei
D_P: Durchmesser des Partikels 80
D_L: Durchmesser des Meßlichtstrahls 20
I_L: maximale Intensität des Meßlichts
ist.

Setzt man die gemessene Intensität I_R und I_P im Fall eines Gaußprofils bei gleicher maximaler Intensität des Meßlicht strahls 20 ins Verhältnis, so ergibt sich

und umgeformt

so daß hiermit die Albedo WP des Partikels 80 direkt bestimm bar ist.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Albedo oder der Licht-Ab sorption eines beliebig geformten Partikels, dadurch gekennzeichnet, daß ein Partikel elektrostatisch geladen und mittels eines elek trischen Feldes in einer Ulbricht-Kugel berührungsfrei positioniert wird, daß das so positionierte Partikel mit einem die Ulbricht-Kugel durchsetzenden Meßlichtstrahl mit definierter Intensität, definiertem Strahlquer schnitt und definierter Intensitätsverteilung über diesem angestrahlt wird, daß mittels eines Sensors die Intensität der ausschließlich partikelbedingten diffusen Strahlung in der Ulbricht-Kugel gemessen wird, daß die vom Meßlichtstrahl ausgeleuchtete Partikelquerschnitts fläche bestimmt wird, daß in derselben Weise bei einem Referenzpartikel mit bekannter Albedo die Intensität der ausschließlich referenzpartikelbedingten diffusen Strah lung gemessen wird und daß aus dem Verhältnis der Inten sitäten der partikelbedingten und der referenzbedingten diffusen Strahlung unter Berücksichtigung der vom Meß lichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche sowie der Referenzpartikelquerschnittsfläche die Albedo des Partikels ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Partikel und das Referenzpartikel jeweils mittels eines elektrischen Gleich- und eines elektrischen Wechselfeldes berührungsfrei positioniert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Intensität des Meßlichtstrahls nach Durch strahlung der Ulbricht-Kugel ohne Anstrahlen des Par tikels bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Intensität des Meßlichtstrahls das Partikel neben dem Meßlichtstrahl positioniert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß zur Bestimmung der Intensität der diffusen par tikelbeeinflußten Strahlung in der Ulbricht-Kugel der Meßlichtstrahl und die Ulbricht-Kugel unverändert zu einander positioniert bleiben.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung über der Querschnittsfläche des Meßlichtstrahls ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein Meßlichtstrahl mit einer über seiner Querschnittsfläche im wesentlichen gauß förmigen Intensitätsverteilung verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die vom Meßlichtstrahl ausge leuchtete Partikelquerschnittsfläche durch Projektion eines Schattenumrisses des im Meßlichtstrahl positio nierten Partikels in Ausbreitungsrichtung des Meßlicht strahls auf eine Projektionsfläche ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsfläche außerhalb der Ulbricht-Kugel angeordnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schattenumriß des Partikels durch eine Projektions optik vergrößert auf der Projektionsfläche abgebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, daß die Projektionsfläche durch eine Oberfläche eines photosensitiven Speicherelements gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsfläche durch eine Oberfläche einer elek tronischen Bilderfassungseinheit gebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche der Meßlicht strahl und das Partikel in derselben Position relativ zueinander stehen wie bei der Messung der Intensität der diffusen partikelbedingten Strahlung in der Ulbricht- Kugel.

14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Partikel zur Messung der Intensität der diffusen Strahlung in der Ulbricht-Kugel bei angestrahltem Partikel als Ganzes innerhalb des Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls positioniert wird.

15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Referenz partikelquerschnittsfläche in gleicher Weise bestimmt wird wie die Partikelquerschnittsfläche.

16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Ausleuchtung der Referenz partikelquerschnittsfläche in gleicher Weise bestimmt wird wie die der Partikelquerschnittsfläche.

17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Partikel und das Referenz partikel in demselben Querschnittsbereich des Meßlicht strahls positioniert werden.

18. Vorrichtung zur Bestimmung der Albedo von beliebig geformten Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Elektrodenanordnung (30) zur berührungsfreien Posi tionierung eines elektrostatisch geladenen Partikels (80) aufweist, daß die Elektrodenanordnung (30) von einer Ulbricht-Kugel (15) umgeben ist, daß die Ulbricht- Kugel (15) mit einem Sensor (50) zur Messung der diffus reflektierten Strahlung in der Ulbricht-Kugel (15) ver sehen ist und daß die Ulbricht-Kugel (15) eine Ein trittsöffnung (16) und eine Austrittsöffnung (18) für einen Meßlichtstrahl (20) zum Anstrahlen des von der Elektrodenanordnung (30) gehaltenen Partikels (80) auf weist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (30) zwei Elektroden (36, 38) zur Erzeugung eines elektrischen Gleichfeldes auf weist und daß die Elektrodenanordnung (30) zwei Elek troden (32, 34) zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (32, 34) für das Wechselfeld und die Elektroden (36, 38) für das Gleichfeld voneinander getrennt angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselfeldelektroden (32, 34) zwischen den Gleichfeldelektroden (36, 38) liegen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wechselfeldelektroden (32, 34) einen größeren Durchmesser als die Gleichfeldelektroden (36, 38) aufweisen.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Elektrodenan ordnung (30) mit derselben diffus reflektierenden Be schichtung (14) versehen sind wie die Ulbricht-Kugel.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (50) mit einer direkt von dem Partikel (80) reflektiertes Meßlicht abschattenden Blende (48) für den Sensor (50) versehen ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (18) der Eintrittsöffnung (16) gegenüberliegt und verschließbar ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Austrittsöffnung (18) austretende Meß lichtstrahl (20) mittels einer Projektionsoptik (64) auf eine Projektionsfläche (70) abbildbar ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsfläche (70) durch eine Oberfläche eines photosensitiven Elements (72) gebildet ist.