DE19736172A1

DE19736172A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Teilchen

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Publication number: DE19736172A1
Application number: DE19736172A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Ing Umhauer
Original assignee: Palas GmbH Partikel und Lasermesstechnik
Current assignee: Palas GmbH Partikel und Lasermesstechnik
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: CH693829A5; GB2328505A; DE19736172B4; GB9814896D0; GB2328505B

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 V_M in Abhängigkeit von dem radialen Abstand s derselben bzw. dem Querschnitt A_M bei der entsprechenden Höhe: h ∼ 1/(s)² ∼ 1/A_M, und somit wird, wenn h* die zur Signalmindestdauer τ* gehörende Flugstrecke ist, h*.A_M = konstant = *.τ*.

Durch die vorgenannte erfindungsgemäße Wahl der geometri schen Gestalt des optisch begrenzten Meßvolumens V_M 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/t_M allein das Maß für die Konzentration C_N = 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 = A_M 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 h_min und enden bei h_max (durch Konstruktion der Blenden so vorgegeben) Entsprechend hierzu besitzt der veränderliche Meßvolumen querschnitt bei h_min ein absolutes Maximum, 4s² _max bei h_max 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

h_min < h* < h_max

wobei h* = v.τ* (h* soll ungefähr in der Mitte zwischen h_min und h_max liegen).

Die zu h* gehörige quadratische Fläche 4(s*)² = A_M 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 V_M, 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 h_max rei chenden Restvolumen. Das Meßvolumen V_M 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 C_N. 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 t_m, 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 h_min und h_max und die Bedin gungen für das Funktionieren des Verfahrens sind ver letzt. In diesem Falle ist τ* entsprechend neu vorzugeben derart, daß

h_min < h* < h_max

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 t_M 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 (τ_max) = τ*/τ_max 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 τ_max, denn das Meßvolumen ist hier eben begrenzt und seine Höhe hat überall den gleichen Wert h = h_max (h_max wie auch h_min 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 τ_max 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 t_M verhältnismäßig kurz sein darf. Für die Geschwindigkeitsgrenzen gilt

v_min = h_min/τ*

und

v_max = h_max/τ*

Hieraus folgt:
Bei festgehaltenem Parameter τ* muß bei steigender Geschwindigkeit immer noch

τ_max < τ*

bleiben, bei sinkender Geschwindigkeit muß immer noch

τ_min < τ*

und damit

bleiben, denn es darf h* nicht größer als h_max und nicht kleiner als h_min 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 τ_max 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 V_m 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 t_M (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

h_min = v_min.τ* = 2.5.10^-5 m = 25 µm

und

h_max = v_max.τ* = 1.10^-4 m = 100 µm

sowie zugehörig

4.S² _max = V*/h_min = 8.10^-8 m² = 8.10⁴ µm²

und

4.S² _max = V*/h_max = 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

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.