DE19736172A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Teilchen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von TeilchenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von in
einem strömenden Fluid dispergierten Teilchen, wobei die
Teilchen in einem optisch abgegrenzten Meßvolumen mit
über dessen Höhe in Strömungsrichtung hin unterschiedli
chem Querschnitt detektiert werden und nur Teilchen zur
Auswertung zugelassen werden, deren gemessene Laufzeit
eine vorgegebene Signalmindestdauer überschreitet. Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Analyse
von in einem strömenden Fluid dispergierten Teilchen, mit
einer Beleuchtungs-, einer Detektions- und einer Auswer
teeinrichtung, wobei die Beleuchtungs- und die Detek
tionseinrichtungen derart ausgebildet sind, daß sie im
Teilchenstrom ein Meßvolumen mit über seine Höhe hin in
Strömungsrichtung unterschiedlichem Querschnitt abgren
zen, und wobei die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet
ist, daß sie nur Teilchen zur weiteren Auswertung zuläßt,
deren gemessene Laufzeit eine vorgegebene Signalmindest
dauer überschreitet.
Streulicht-Partikelzähler werden sowohl zur Mengen- wie
zur Größenbestimmung von Aerosolpartikeln eingesetzt.
Charakteristisch für alle Streulicht-Partikelzähler ist
die Abgrenzung eines hinreichend kleinen Meßvolumens,
durch das sich die Partikeln einzeln zur Zählung und
Größenbestimmung hindurch bewegen.
Soll direkt in der vorgegebenen Aerosolströmung gemessen
werden (soweit dies die Bedingungen überhaupt zulassen),
so ist die Abgrenzung des Meßvolumens mit optischen
Mitteln vorzunehmen. Bislang geschieht dies durch Abbil
dung von Blenden mittels zweier optischer Teilsysteme in
90°-Anordnung (Umhauer, H.: Particle Size Distribution
Analysis by Scattered Light Measurements Using an
Optically Defined Measuring Volume, in J. Aerosol Sci.,
Vol. 14 No. 6, pp 765-770, 1983). Die Blenden besitzen
z. B. eine rechteckige Öffnung, so daß innerhalb eines
gewissen Schärfentiefenbereiches der Abbildung ein qua
derförmiges Meßvolumen definiert ist. Dieses wird von dem
einen der beiden Teilsysteme zudem beleuchtet, mit dem
anderen wird das von den Partikeln gestreute Licht gemes
sen. Notwendigerweise entsteht bei dieser Art von Meßvo
lumenabgrenzung ein charakteristischer Fehler dadurch,
daß es immer einen gewissen Anteil von Partikeln gibt,
die sich durch die Randbereiche des Meßvolumens bewegen,
oder anders ausgedrückt, von den Rändern "angeschnitten
werden".
Neben rechnerischer Korrektur besteht die Möglichkeit,
sogenannten Randzonenfehler zu begegnen, indem appa
rative und signalverarbeitungstechnische Maßnahmen ge
troffen werden, mit welchen der Fehler von vornherein
vermieden, d. h. schon während des Meßvorgangs eliminiert
wird. So kann der Fehler nach der genannten Literatur
stelle durch eine Doppelmessung mit zwei unterschiedli
chen Detektorblenden und Vergleich der Impulshöhen ausge
schaltet werden.
Aus der Veröffentlichung Umhauer und Berbner, Optical
In-Situ Analysis of Particles Dispersed in Gases at
Temperatures of up to 1000°C, 6th European Symposium
Particle Characterization, Nürnberg, Germany, 11.-23.
März 1995, Preprint, S. 327 ff, wobei dieser Artikel
vollinhaltlich zum Gegenstand der vorliegenden Offenba
rung gemacht wird, sind ein gattungsgemäßes Verfahren und
eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt. Durch das be
kannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung werden
Meßfehler vermieden, wie sie bei rein mechanisch-optisch
bestimmten Meßvolumen, wie sie vorher üblich waren, dann
auftreten, wenn Teilchen im Randbereich des derart be
stimmten Meßvolumens entlangströmen und vom Beleuchtungs
licht nur teilweise beleuchtet werden; sie streuen daher
eine geringere Lichtmenge auf den Detektor, als es der
Fall wäre, wenn sie voll beleuchtet würden, und täuschen
daher eine geringere Teilchengröße vor, als sie ihrer
tatsächlichen Größe entspricht; hierzu kann die Messung
und insbesondere die Bestimmung der Partikelgrößenvertei
lung beeinträchtigt werden. Derartige Fehler werden durch
das optisch-elektronisch definierte Meßvolumen nach der
genannten Druckschrift ausgeschlossen, wobei bei der
Auswertung nur Teilchen berücksichtigt werden, deren
Laufzeit eine einen Meßvolumenquerschnitt definierende
vorgegebene Signalmindestdauer überschreitet. Hiermit
sind nur Teilchenströme mit konstanter Geschwindigkeit
meßbar, oder aber es ist die Teilchengeschwindigkeit über
eine hinreichend große Meßzeit durch Mittelwertberechnung
kontinuierlich zu bestimmen und rechnerisch die genannte
Signalmindestdauer so zu korrigieren, daß der Meßvolumen
querschnitt konstant bleibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen
unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile auch bei
variabler Partikelgeschwindigkeit automatisch eine kor
rekte Messung erfolgt.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem
Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mantelflächen des
Meßvolumens nicht gerade sind. Eine gattungsgemäße Vor
richtung sieht zur Lösung der genannten Aufgabe vor, daß
die Mantelflächen des Meßvolumens nicht gerade sind.
Gemäß bevorzugter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß die Mantelflächen sich
stetig konkav verändernd ausgebildet sind und daß das
optisch abgegrenzte Meßvolumen hyperbolische Mantelflä
chen aufweist, wobei insbesondere das optisch abgegrenzte
Meßvolumen symmetrisch ausgebildet ist.
Die genannten Meßvolumen können in bevorzugter Ausgestal
tung dadurch geschaffen werden, daß die Teilchen mittels
Blendenöffnungen beleuchtet und detektiert werden, die
stetig konkav ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen,
bzw. dadurch, daß die Teilchen mittels Blendenöffnungen
beleuchtet und detektiert werden, die hyperbelartig
ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen, wobei in Wei
terbildung insbesondere vorgesehen ist, daß die Blenden
öffnungen im Beleuchtungs- und Detektionsweg gleich
ausgebildet sind.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Teilchen
mit sich verändernder Teilchengeschwindigkeit gemessen
werden, deren Laufdauern im Meßvolumen von der gewählten
Signalmindestdauer in gewisser Weise abweichen. Um größe
re Veränderungen der Teilchengeschwindigkeit zu berück
sichtigen, ist in bevorzugter Weiterbildung des Verfah
rens vorgesehen, daß bei sich verändernder Geschwindig
keit der Teilchen und damit maximaler Signaldauer der von
den Teilchen bewirkten Signale die Signalmindestdauer
angepaßt wird, wobei insbesondere eine Anpassung vorge
nommen wird, wenn sich bei Änderung der Geschwindigkeit
die maximale Signaldauer der von den Teilchen bewirkten
Signale bis auf das 1,1-fache der aktuellen (vorgegebe
nen) Signalmindestdauer an diese angenähert bzw. sich auf
das 3,8-fache von ihr entfernt hat. Bevorzugte Weiterbil
dungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, daß
das optisch abgegrenzte Meßvolumen hyperbolische Mantel
flächen aufweist und daß das optisch abgegrenzte Meßvolu
men symmetrisch ausgebildet ist. Zur Schaffung eines
entsprechenden optisch abgegrenzten Meßvolumens sehen in
bevorzugter Ausgestaltung die Beleuchtungs- und Detek
tionseinrichtungen vor, daß Begrenzungskanten der Blen
denöffnungen stetig konkav ausgebildet sind bzw. Begren
zungskanten der Blendenöffnungen als Hyperbeln ausgebil
det sind. In Weiterbildung kann weiterhin vorgesehen
sein, daß die Blendenöffnungen der Detektions- und Aus
werteeinrichtungen strukturell gleich ausgebildet sind.
Durch die Erfindung wird ein primäres mechanisch-optisch
abgegrenztes Meßvolumen durch Beleuchtung und Detektions
blenden gebildet, das in einer Pyramide bzw. einem Pyra
midenstumpf einbeschrieben ist, aber konkave bzw. hyper
bolische Begrenzungsflächen aufweist, die durch konkave
bzw. insbesondere hyperbelartige Kanten zwischen Basis
und Spitze (der Pyramide) gebildet sind. Hierdurch wird
erreicht, daß das durch die Signalmindestdauer bestimmte
optisch-elektronische sekundäre oder wirksame Meßvolumen
der tatsächlich zur Auswertung zugelassenen Teilchen
gleich bleibt, unabhängig davon, welche minimale Meßzeit
zugelassen wird. In bevorzugter Ausgestaltung wird ein
Meßvolumen gebildet, das in einem Oktaeder einbeschrieben
ist und das konkave, insbesondere hyperbolische Begren
zungsflächen jeweils zwischen Mittelebene und den Spitzen
des Oktaeders aufweist, die durch Blenden mit konkaven
bzw. insbesondere hyperbelartigen Begrenzungskanten
geschaffen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung können insbesondere zur Analyse von in einem
Gas strömendem Feststoff, aber auch von in einem Gas
strömenden Flüssigkeitsteilchen eingesetzt werden. Wei
terhin ist es möglich, in einer Flüssigkeit strömende
Feststoffteilchen oder aber auch in einer Flüssigkeit
strömende Flüssigkeitsteilchen einer anderen Flüssigkeit
bestimmen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei
bung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der
Abbildung von erfindungsgemäßen
Beleuchtungs- und Detektionsblenden
öffnungen in den Teilchenstrom;
Fig. 3 das erfindungsgemäß im Teilchenstrom
optisch abgegrenzte primäre Meßvolu
men in einer bevorzugten Ausgestal
tung;
Fig. 4a den Verlauf der hyperbolischen Be
grenzungsflächen des bevorzugten
Meßvolumens gemäß Fig. 3;
Fig. 4b eine Draufsicht auf das Meßvolumen
gemäß Fig. 3 in Strömungsrichtung
der Teilchen;
Fig. 5 einen Geschwindigkeitsverlauf der
gemessenen Teilchen über die Zeit
mit Fluktuationen;
Fig. 6 eine Häufigkeitsverteilung von
Signaldauern;
Fig. 7a-c drei mögliche Ausgestaltungen von
Blendenöffnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist ein Rohr 2 auf,
welches eine Fluidströmung mit in dieser dispergierten
Teilchen enthält, wie eine Gasströmung mit Feststoffteil
chen. In Wandungen des Rohres 2 sind Fenster 3, 4 vorges
ehen, durch welche die Gasströmung beleuchtet und be
trachtet werden kann. Eine Beleuchtungseinrichtung 6
weist eine Lichtquelle 7, vorzugsweise eine Quelle weißen
Lichtes, ein Kondensorsystem 8 und eine Beleuchtungsblen
denöffnung 9 sowie akromatische Linsen 11 auf. Es ist
weiterhin ein optisches Filter 12 vorgesehen. Eine Detek
tionseinrichtug 13 weist ebenfalls im Fenster 3 des
Rohres 2 ein Filter 14, ein Umlenkprisma 15, Linsen 16,
eine - weitere - Detektionsblendenöffnung 17, einen
Kondensor 18 und einen Detektor 19, wie insbesondere
einen Fotomultiplier, auf. An den Detektor 19 schließt
sich eine Auswerteeinheit 21 an, die insbesondere eine
Zeitmeßeinrichtung aufweist.
Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Abbil
dung der Blenden 9, 17 in den Teilchenstrom mit der
Strömungsrichtung S. Hieraus ist daher auch die Form der
Blendenöffnungen 9, 17 dieser Ausführungsform entnehmbar.
Die Blendenöffnungen 9, 17 weisen stetig verlaufende,
sich konkav, insbesondere hyperbelartig erweiternde
Kanten 22 auf. Wie den Fig. 3 und 4b zu entnehmen ist,
wird durch die beiden Blenden 9, 17 ein primäres opti
sches Meßvolumen gebildet, das in einem parallel zur
Strömungsrichtung S ausgerichteten Pyramidenstumpf einbe
schrieben ist, dessen Basis senkrecht zur Strömungsrich
tung S steht, wobei die Begrenzungsflächen 15 des so
gebildeten primären Meßvolumens innerhalb des Pyramiden
stumpfes stetig konkav verlaufen, wie in entsprechender
Weise auch die Begrenzungskanten 22 konkav zurückversetzt
gegenüber den Kanten des umgebenden Pyramidenstumpfes
ausgebildet sind. Die Kanten 22 sind insbesondere als
Hyperbeln, die Begrenzungsflächen hyperbolisch ausgebil
det.
Damit gilt für den Verlauf h der Mantelflächen 15 des
optisch abgegrenzten Meßvolumens VM in Abhängigkeit
von dem radialen Abstand s derselben bzw. dem Querschnitt
AM bei der entsprechenden Höhe: h ∼ 1/(s)2 ∼ 1/AM,
und somit wird, wenn h* die zur Signalmindestdauer τ*
gehörende Flugstrecke ist, h*.AM = konstant = *.τ*.
Durch die vorgenannte erfindungsgemäße Wahl der geometri
schen Gestalt des optisch begrenzten Meßvolumens VM
mit hyperbolischen Begrenzungsflächen bzw. der dieses
Meßvolumen bildenden Blendenöffnungen mit hyperbelartigen
Begrenzungskanten bleibt bei Vorgabe einer festen Signal
mindestdauer τ* der Volumenstrom *M innerhalb des so
gebildeten tatsächlichen Meßvolumens auch bei Variation
der Geschwindigkeit der Teilchen stets konstant. Unter
diesen Bedingungen ist die Zählrate Z = N/tM allein
das Maß für die Konzentration CN = Z/*M. Die
Geschwindigkeit darf sich innerhalb gewisser Grenzen
damit beliebig ändern. Für den Volumenstrom gilt:
*M = v.4(s*)2 = 4 h*/τ* (s*)2,
wobei 4(s*)2 = AM der (quadratische) maximale Meßvo
lumenquerschnitt ist, dessen aktueller Wert sich verän
dern kann, h* die zu s* gehörende, aktuelle äußere Meßvo
lumenhöhe ist und τ* die fest vorgegebene Signalmindest
dauer ist. Die Signalmindestdauer τ* besagt, daß alle
Partikel, deren Flug- und damit Signaldauer kleiner als
τ* ist, verworfen werden.
Die beiden senkrecht zueinander stehenden Blendenbilder
spannen das Meßvolumen auf (Fig. 3). Die hyperbolischen
Begrenzungsflächen beginnen bei hmin und enden bei
hmax (durch Konstruktion der Blenden so vorgegeben)
Entsprechend hierzu besitzt der veränderliche Meßvolumen
querschnitt bei hmin ein absolutes Maximum,
4s2 max bei hmax ein Minimum, 4s2 min. Die
Flächennormale zu s2 ist die Strömungsrichtung. Ausgehend
einer bestimmten vorliegenden Geschwindigkeit v wird
eine Partikelflugzeit bzw. Signaldauer τ* festgelegt,
derart daß
hmin < h* < hmax
wobei h* = v.τ* (h* soll ungefähr in der Mitte zwischen
hmin und hmax liegen).
Die zu h* gehörige quadratische Fläche 4(s*)2 = AM ist
der maximale Querschnitt des aktuellen Meßvolumens, durch
sich alle Partikeln mit τ < τ* und demgemäß h < h*
hindurch bewegen und bezüglich dessen (bzw. τ*) die
bereits genannte Selektion der Partikeln vorgenommen
wird. Das heißt mit τ* ist in bezug auf die jeweilige
Geschwindigkeit v die aktuelle maximale laterale Ausdeh
nung des Meßvolumens festgelegt.
Für (s*)2 gilt
Ändert sich die Geschwindigkeit, so ändert sich (bei
festem τ*!) sowohl (s*)2 als auch h*, und zwar derart,
daß das Produkt
konstant bleibt. V* wird hier als Basisvolumen bezeich
net; sein Wert ist bekannt. Das quaderförmige Basisvolu
men V* behält immer den gleichen Wert, wenn sich h* bei
festem τ* aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen ändert,
nicht aber das ganze effektive Meßvolumen VM, das
größer ist. Sein Wert ergibt sich aus der Summe des
quaderförmigen Basisvolumens V* und dem über der quadra
tischen Fläche 4(s*)2 liegenden, durch die hyperbolischen
Seitenflächen begrenzten und bis zur Höhe hmax rei
chenden Restvolumen. Das Meßvolumen VM wird z. B.
kleiner, wenn h* mit zunehmender Geschwindigkeit wächst,
weil das Restvolumen dann immer kleiner wird. Da τ*
vorgegeben wird, ist auch der Volumenstrom V* bekannt.
Das heißt, die Zählrate Z, die bei derartiger Meßvolumen
definition gemessen wird, ist unabhängig von Geschwindig
keitsänderungen direkt das Maß für die Partikelkonzentra
tion CN. Ändert sich die Zählrate, dann aufgrund
einer Konzentrationsänderung und nicht aufgrund einer
Geschwindigkeitsänderung. Die Geschwindigkeit darf sich
mit beliebiger Frequenz ändern! Sie braucht nicht bekannt
zu sein, wenn sichergestellt ist, daß die Geschwindig
keitsänderungen bestimmte Grenzen nicht überschreiten.
Strömt ein Teilchen durch das primäre Meßvolumen, so wird
es nur erfaßt, wenn seine mittlere Laufzeit durch das
Meßvolumen, d. h. die Zeit, in der es Licht auf den Detek
tor reflektiert, t mindestens so groß ist wie die vorge
gebene Signalmindestdauer τ* (entsprechend lateraler
Erstreckung s*). Das Teilchen 2 in der Fig. 4b mit
wird daher gerade noch erfaßt. Demgemäß sieht die Auswer
teeinrichtung einen Zeitgeber vor, durch welchen Teilchen
mit kürzerer Laufzeit als Δ tm, wie das Teilchen 3,
von der weiteren Auswertung ausgeschlossen werden. Derart
wird innerhalb des mechanisch-optisch bestimmten primä
ren Meßvolumens, wie es oben beschrieben wurde, opto
elektronisch ein (sekundäres) wirksames Meßvolumen defi
niert, das quaderförmig ausgebildet ist, wobei Begren
zungsebenen senkrecht und parallel zur Strömungsrichtung
S der Teilchen liegen.
Durch die Erfindung können Randeffekte, wie sie bei rein
mechanisch-optisch gebildeten Meßvolumen auftreten, indem
Teilchen, die am Rand eines solch gemessenen Voltimens
entlangströmen und daher nur teilweise beleuchtet werden
und daher im Detektor ein kleineres Teilchen vorspiegeln,
als es ihrer tatsächlichen Größe entspricht, unabhängig
von der Teilchengenauigkeit ausgeschieden werden.
Während bei der beschriebenen Ausführungsform die hyper
bolischen Begrenzungsflächen der Blendenöffnungen 9, 17
dem ankommenden Partikelstrom S zugewandt sind (Fig. 2,
3) und eine Eintrittsbegrenzung bilden sowie die ebene
Basisfläche des Meßvolumens eine Austrittsbegrenzung
bildet (Fig. 7a), läßt sich dieses Meßvolumen auch in
umgekehrter Richtung anströmen (Fig. 7b). Auch ist es
möglich, hyperbolische Begrenzungsflächen auf der Ein
tritts- und der Austrittsseite vorzugeben, so daß das
Meßvolumen einem Oktaeder einbeschrieben wäre. Eine
entsprechende Blende ist in Fig. 7c dargestellt.
Die Kompensation von Geschwindigkeitsänderungen durch
Änderung von (s*)2 gelingt allerdings nur innerhalb
gewisser Grenzen. Ein Geschwindigkeitsverlauf mit Fluk
tuationen und Laufzeitverhalten ist in Fig. 5 darge
stellt.
Ist die Geschwindigkeitsänderung zu groß, so verläßt h*
den Bereich zwischen hmin und hmax und die Bedin
gungen für das Funktionieren des Verfahrens sind ver
letzt. In diesem Falle ist τ* entsprechend neu vorzugeben
derart, daß
hmin < h* < hmax
wieder erfüllt ist.
Um diesem Sachverhalt Rechnung tragen zu können, müssen
die zu hohen Geschwindigkeitsänderungen allerdings er
kannt werden, d. h. auch die Geschwindigkeit muß hinrei
chend genau kontrolliert werden, wenn zu hohe Änderungen
zu befürchten sind. Da die Signaldauer τ permanent (für
jede Partikel) kontrolliert wird, kann im Rahmen einer
gewissen Meßzeit tM auch die Geschwindigkeit angege
ben werden, und zwar auch im Falle des gemäß Fig. 3
definierten Meßvolumens. Aufgrund der Gestalt dieses
Meßvolumens ergibt sich (bei regulärem Betrieb und v =
constant) für die Partikelflugzeit und damit Signaldauern
τ eine Häufigkeitsverteilung Q0 (τ), wie sie qualita
tiv in Fig. 6 dargestellt ist.
Der Anteil Q0 (τmax) = τ*/τmax an Signalen mit
einer Länge von .max rührt von jenen Partikeln her,
die sich durch den Querschnitt s2 min hindurch bewe
gen. Sie besitzen alle die gleiche Signaldauer τmax,
denn das Meßvolumen ist hier eben begrenzt und seine Höhe
hat überall den gleichen Wert h = hmax (hmax wie
auch hmin stellen Systemkonstanten dar und sind keine
Parameter).
Für eine Überprüfung der Geschwindigkeitsgrenzen, inner
halb derer bei einem bestimmten τ* das Verfahren wirksam
ist, genügt es, die obere Grenze der Verteilung bei
τmax in etwa zu erkennen, wozu aber gerade der Anteil
τ*/.max in seiner ausgeprägten Form beiträgt. Es ist
nicht erforderlich, die gesamte Verteilung Q0 (τ)
repräsentativ zu erfassen, was wiederum bedeutet, daß die
Meßzeit tM verhältnismäßig kurz sein darf. Für die
Geschwindigkeitsgrenzen gilt
vmin = hmin/τ*
und
vmax = hmax/τ*
Hieraus folgt:
Bei festgehaltenem Parameter τ* muß bei steigender Geschwindigkeit immer noch
Bei festgehaltenem Parameter τ* muß bei steigender Geschwindigkeit immer noch
τmax < τ*
bleiben, bei sinkender Geschwindigkeit muß immer noch
τmin < τ*
und damit
bleiben, denn es darf h* nicht größer als hmax und
nicht kleiner als hmin werden. Werden diese Grenzen
unter- oder überschritten, so muß der Parameter τ*, wie
schon gesagt, der veränderten Situation entsprechend neu
festgelegt werden (geschieht automatisch über Computer
programm). Werden die Signaldauern τmax im Diagramm
der Fig. 6 bei steigender Geschwindigkeit immer kleiner
und nähern sie sich immer mehr dem Wert τ* an, so muß τ*
verkleinert werden usw.
Die deutliche Erkennbarkeit des Anteils der maximalen
Signaldauern (Fig. 6) ist eine vorteilhafte Dreingabe bei
der erfindungsgemäßen Art der Meßvolumenbegrenzung. Die
maximalen Signaldauern stammen von all jenen Teilchen,
die sich durch die ebene Deckfläche des Meßvolumens
Vm hindurchbewegen. Kritische Geschwindigkeitsände
rungen können damit schon relativ früh erkannt werden.
Wenn von Geschwindigkeitsänderungen die Rede ist, so hat
man in der Vorstellung zu unterscheiden zwischen langsamen
stetigen Änderungen (Driften) und schnellen Schwankungen
um einen mittleren Wert (Fluktuationen). Auch eine
Kombination von beidem ist möglich.
Im Falle hoher Fluktuationsfrequenz, d. h. einer Frequenz,
die größer ist als der reziproke Wert der erforderlichen
Meßzeit tM (dieser Fall ist durchaus erlaubt), wird
die Verteilung Q0 (τ) am oberen Ende keine sprunghafte
Grenze aufweisen, sondern sie wird innerhalb eines mehr
oder weniger breiten Bereiches stetig auf den Wert 1
(bzw. 100%) ansteigen. Auch in diesem Falle läßt sich
durch Kontrolle (Mittelwertbildung) der τ-Werte im oberen
Bereich der Verteilung relativ schnell erkennen, ob die
zuvor formulierten Bedingungen für den korrekten Betrieb
des Streulicht-Partikelzählers eingehalten werden. In
jedem Falle liegt eine quasi online-Kontrolle vor.
Sei die zu erwartende mittlere Geschwindigkeit v0
v0 = 1 m/s
= 1 µm/µs
h*0 = 5.10-5 m
= 50 µm
τ* = 5.10-5
= 50 µs
(s*0)2 = 10-8 m2
= 10-4 µm2 ein Quadrat von
100 µm × 100 µm
Die mit dem Index "0" bezeichneten Größen stellen den
mittleren Arbeitspunkt dar, der sich bei veränderlicher
Teilchengeschwindigkeit in Abb. 1 nach "oben" und nach
"unten" verschieben kann (Fig. 3).
Für das Basisvolumen V* folgt
V* = 4.(s*0)2.h0*
= 2.10-12 m3
= 2.106 µm3
und für den Volumenstrom
* = V*M/τ*
= 4.10-8 m3/s
= 4.10-5 1/s
Eine andere Möglichkeit, die Anpassungsgrenzen zu benen
nen, besteht darin, den Spielraum der Geschwindigkeitsän
derungen anzugeben. Gut realisierbar und dabei auch
realistisch ist z. B., wenn man Geschwindigkeitsschwankun
gen im Bereich von
0,5 v0 < v0 < 2v0
zuläßt. Es handelt sich um ein Beispiel, man könnte auch
etwas veränderte Werte nehmen, ohne daß die Funktions
tüchtigkeit des Verfahrens in Frage gestellt wäre. Für
die Meßvolumenauslegung muß dann gelten
hmin = vmin.τ*
= 2.5.10-5 m
= 25 µm
und
hmax = vmax.τ*
= 1.10-4 m
= 100 µm
sowie zugehörig
4.S2 max = V*/hmin
= 8.10-8 m2
= 8.104 µm2
und
4.S2 max = V*/hmax
= 2.10-8 m2
= 2.104 µm2
Der Querschnitt eines solchen Meßvolumens ist in Fig. 7a
dargestellt. Die körperlichen Blenden, mit welchen durch
Abbildung dieses Meßvolumen geschaffen würde, hätten das
gleiche Aussehen.
Das neue Verfahren sieht insbesondere hyperbolische
Begrenzungsflächen vor. Dabei sind jedoch unterschiedli
che Anordnungen denkbar. In Fig. 7a sind die hyperboli
schen Begrenzungsflächen dem ankommenden Partikelstrom
zugewandt, sie bilden die Eintrittsbegrenzung. Die ebene
Basisfläche des Meßvolumens bildet die Austrittsbegren
zung (Fig. 7a). Ein solches Meßvolumen ließe sich aber
auch in umgekehrter Richtung anströmen (Fig. 7b) und die
Kriterien des Verfahrens wären ebenso erfüllt. Eine
dritte Möglichkeit bestünde darin, hyperbolische Begren
zungsflächen sowohl auf der Eintritts- wie auf der Aus
trittsseite des Meßvolumens vorzusehen (Fig. 7c).
Welche dieser Anordnungen sich am günstigsten erweist,
darüber entscheiden u. a. die damit verbundenen Signal
eigenschaften wie z. B. die Flankensteilheit im Zusammen
hang mit der Signaltriggerung. Von dieser Signaleigen
schaft hängt z. B. die Schärfe ab, mit der das Kriterium
τ < τ*, d. h. die laterale Meßvolumenausdehnung, kontrol
liert wird. Außerdem spielen weitere Gesichtspunkte eine
Rolle, so z. B. das Koinzidenzfehlerproblem.
Bis hierhin wurde das Verfahren unter der Voraussetzung
betrachtet, daß sich alle Partikeln (unabhängig von ihrer
Größe) mit der gleichen Geschwindigkeit durch das Meßvo
lumen bewegen. Eine Änderung der Geschwindigkeit soll
immer alle Partikeln in gleicher Weise betreffen. Diese
Voraussetzung ist realistisch für den Partikelgrößenbe
reich x < 10 µm, ein Bereich, der die eigentliche Domäne
solcher Streulicht-Partikelzähler darstellte. Weiterge
hende Überlegungen zeigen jedoch, daß das hier vorge
stellte Verfahren auch funktionsfähig ist, wenn sich die
Partikeln des zu untersuchenden Kollektivs nicht alle mit
der gleichen Geschwindigkeit durch das Meßvolumen bewe
gen, wenn also eine bestimmte Häufigkeitsverteilung der
Partikelgeschwindigkeiten vorliegt. Hierbei kann zwischen
Größe x und Geschwindigkeit v der Partikeln eine Korrela
tion bestehen oder auch nicht (zweidimensionale Häufig
keitsverteilungen von Partikelgröße und -geschwindig
keit).
Claims (18)
1. Verfahren zur Analyse von in einem strömenden Fluid
dispergierten Teilchen, wobei die Teilchen in einem
optisch abgegrenzten Meßvolumen mit über dessen Höhe
in Strömungsrichtung hin unterschiedlichem Quer
schnitt detektiert werden und nur Teilchen zur
Auswertung zugelassen werden, deren gemessene Lauf
zeit eine vorgegebene Signalmindestdauer überschrei
tet, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen
des Meßvolumens nicht gerade sind.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mantelflächen sich stetig konkav verändernd
ausgebildet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das optisch abgegrenzte Meßvolumen hyperbolische
Mantelflächen aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das optisch abgegrenzte Meßvolumen
symmetrisch ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teilchen mittels Blendenöff
nungen beleuchtet und detektiert werden, die stetig
konkav ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teilchen mittels Blendenöff
nungen beleuchtet und detektiert werden, die hyper
belartig ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kanten der Blendenöffnungen sym
metrisch ausgebildet sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen im Be
leuchtungs- und im Detektionsweg gleich ausgebildet
sind.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei sich verändernder
Geschwindigkeit der Teilchen und damit maximaler
Signaldauer der von den Teilchen bewirkten Signale
die Signalmindestdauer angepaßt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anpassung vorgenommen wird, wenn sich bei
Änderung der Geschwindigkeit die maximale Signal
dauer der von den Teilchen bewirkten Signale bis auf
das 1,1-fache der aktuellen (vorgegebenen) Signal
mindestdauer an diese angenähert bzw. sich auf das
3,8-fache von ihr entfernt hat.
11. Vorrichtung zur Analyse von in einem strömenden
Fluid dispergierten Teilchen, mit einer Beleuch
tungs-, einer Detektions- und einer Auswerteeinrich
tung, wobei die Beleuchtungs- und die Detektionsein
richtungen derart ausgebildet sind, daß sie im
Teilchenstrom ein Meßvolumen mit über seine Höhe hin
in Strömungsrichtung unterschiedlichem Querschnitt
abgrenzen, und wobei die Auswerteeinrichtung derart
ausgebildet ist, daß sie nur Teilchen zur weiteren
Auswertung zuläßt, deren gemessene Laufzeit eine
vorgegebene Signalmindestdauer überschreitet, da
durch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen des
Meßvolumens nicht gerade sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Mantelflächen des Meßvolumens sich
stetig konkav verändernd ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß das optisch abgegrenzte Meßvolumen hyperbo
lische Mantelflächen aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß das optisch abgegrenzte
Meßvolumen symmetrisch ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß Begrenzungskanten (22)
der Blendenöffnungen (9, 17) stetig konkav ausgebil
det sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß Begrenzungskanten (22)
der Blendenöffnungen (9, 17) als Hyperbeln ausgebil
det sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß Begrenzungskanten (22) der Blen
denöffnungen (9, 17) symmetrisch ausgebildet sind
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (9,
17) der Detektions- und Auswerteeinrichtungen (6,
13) strukturell gleich ausgebildet sind.
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