DE19749233C1 - Measuring dia. of particle moving through measurement vol. - Google Patents

Measuring dia. of particle moving through measurement vol.

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DE19749233C1 DE1997149233 DE19749233A DE19749233C1 DE 19749233 C1 DE19749233 C1 DE 19749233C1 DE 1997149233 DE1997149233 DE 1997149233 DE 19749233 A DE19749233 A DE 19749233A DE 19749233 C1 DE19749233 C1 DE 19749233C1
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Abstract

The method for measuring the dia. of a particle is carried out, firstly producing an intensity pattern monochromatic polarized light from at least one angle spectrum of plane light waves. The measurement vol. is determined as at least one part of the region, in which the plane light waves intersect and form an intensity pattern. The light scattered by particles moving through the measurement vol. is detected by two detector units, aligned on the measurement vol. The frequency amplitude spectra of both detection signals are determined. With the determining of the phase difference (DELTA PHI) between both detection signals for those frequencies (f), which are located in a specified frequency range, and their amplitudes exceed a specified amplitude threshold value. The dia. of the particle is determined based on the course of the phase difference DELTA-PHI frequency f curve.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Durchmessers eines sich durch ein Meßvolumen bewegenden Teilchens.The present invention relates to a method and a Device for measuring the diameter of one a measuring volume of moving particles.

Die US-4,986,659 offenbart ein Laser-Doppler-Gerät zum Messen des Durchmessers eines sich in einer Strömung in­ nerhalb eines Meßvolumens bewegenden Teilchens, wobei das Meßvolumen als der Bereich bestimmt ist, in dem sich min­ destens zwei von einer Einrichtung erzeugte, zueinander in einer bestimmten Phasenbeziehung stehende Laserstrahlen kreuzen, mit mindestens zwei, auf das Meßvolumen ausge­ richteten Detektor-Einheiten zur Erfassung und Detektie­ rung der am zu vermessenden Teilchen gestreuten Laser­ strahlen und zur Abgabe von Signalen und mit einer Signal­ verarbeitungseinrichtung zur Ermittlung des Durchmessers des Teilchens aus den Signalen der Detektor-Einheiten. Die Bestimmung des Teilchendurchmessers beruht auf der Annah­ me, daß das von dem sich durch das Meßvolumen bewegenden Teilchen gestreute Licht zu einem Detektor-Signal, Dopp­ ler-Burst genannt, führt, das nur eine einzige Frequenz, die sogenannte Doppler-Burst-Frequenz, enthält. Aus der Phasendifferenz zwischen den von beiden Detektor-Einheiten detektierten Doppler-Bursts wird dann auf den Teilchen­ durchmesser geschlossen. Die Geräte werden daher auch als Phasen-Doppler-Anemometer (PDA) bezeichnet. Neben dem Teilchendurchmesser läßt sich mit PDA-Geräten gleichzeitig auch die Teilchengeschwindigkeit bestimmen. Das vorange­ hend beschriebene Meßsystem stellt ein Standard-PDA-Meßsy­ stem dar. Aus der US-5,684,587 ist ein Standard-PDA-Meßsy­ stem bekannt, bei dem durch spezielle Formgebung der De­ tektoröffnungen Einfluß auf die teilchengrößenabhängige Streulichtintensität und auf den Verlauf der Phasendiffe­ renz-Teilchendurchmesser-Beziehung genommen wird.US 4,986,659 discloses a laser Doppler device for Measure the diameter of yourself in a flow within a measuring volume moving particle, which Measuring volume is determined as the range in which min at least two generated by a device to each other in laser beams related to a specific phase relationship cross, with at least two, on the measuring volume set up detector units for detection and detection tion of the laser scattered on the particle to be measured radiate and to emit signals and with a signal  processing device for determining the diameter of the particle from the signals from the detector units. The Determination of the particle diameter is based on the assumption me that that of the moving through the measuring volume Particle scattered light to a detector signal, Dopp called ler burst, that leads to only one frequency, the so-called Doppler burst frequency. From the Phase difference between those of both detector units detected Doppler burst is then on the particle diameter closed. The devices are therefore also called Phase Doppler anemometer (PDA). Next to the Particle diameter can be handled simultaneously with PDA devices also determine the particle speed. That before The measuring system described provides a standard PDA measuring system stem. From US-5,684,587 is a standard PDA measuring system stem known, in which the De tector openings influence the particle size dependent Scattered light intensity and on the course of the phase diffs reference particle diameter relationship is taken.

Ausgehend von den Standard-PDA-Meßsystemen wird in der DE 43 26 979 C1 ein sogenanntes planares PDA-System vorge­ schlagen, bei dem die Laserstrahlen und die zwei Detektor- Einheiten mit einer Komponente des Strömungsvektors so angeordnet sind, daß die Strömungskomponente, die Ausbrei­ tungsvektoren für die Laserstrahlen und die Detektorrich­ tungsvektoren für die Detektoreinheiten in einer gemein­ samen Ebene liegen und die Detektor-Einheiten mit ihren Detektorrichtungsvektoren so in der Ebene angeordnet sind, daß beide Streulicht von demselben Teilchen erfassen. Wenn keine idealen Meßbedingungen vorliegen, weisen die detek­ tierten Signale jedoch nicht die Form eines idealen Dopp­ ler-Bursts auf, wodurch sich die dominante Frequenz ver­ schieben kann, bei der die Phasendifferenz bestimmt wird. Die hieraus resultierenden Schwankungen der Phasendiffe­ renz und damit des gemessenen Teilchendurchmessers finden sich nicht im wahren Durchmesser wieder. Eine Beurteilung hinsichtlich der Meßgenauigkeit und eine Auswahl von Vali­ dierungskriterien ist sehr schwierig. Ein Ausweg wurde über Mehrfachmessungen an demselben Teilchen gesucht.Based on the standard PDA measuring systems, DE 43 26 979 C1 a so-called planar PDA system where the laser beams and the two detector Units with a component of the flow vector like this are arranged that the flow component, the slurry tion vectors for the laser beams and the detector tion vectors for the detector units in a common same level and the detector units with their Detector direction vectors are arranged in the plane so that both scatter light from the same particle. If no ideal measuring conditions exist, the detek However, signals did not form an ideal double bursts, causing the dominant frequency to change  can slide, in which the phase difference is determined. The resulting fluctuations in the phase differences limit and thus the measured particle diameter not in the true diameter again. An assessment in terms of measurement accuracy and a selection of Vali dation criteria is very difficult. Was a way out searched for multiple measurements on the same particle.

So wird beispielsweise von C. Tropea, T.-H. Xu, F. Onofri, G. Gréhan und P. Haugen in "Dual Mode Phase Doppler Ane­ mometry", Proceedings 7th International Symposium on Ap­ plication of Laser Fluid Mechanics, Lisbon, 1995, 18.3.1 bis 18.3.7, ein PDA-Meßsystem vorgestellt, das eine Kombi­ nation aus einem Standard-PDA-System und einem planaren PDA-System ist. Das System verwendet vier Detektoren, um die Genauigkeit einer Teilchendurchmessermessung zu erhö­ hen. In einer weiteren Veröffentlichung von C. Tropea, T.- H-Xu, F. Onofri, G. Grehan, P. Haugen und M. Stieglmeier ("Dual-Mode Phase-Doppler Anemometer", Part. Part. Syst. Charact. 13 (1996) 165 bis 170) wird noch genauer auf die Anwendung und das Verfahren zur Auswertung des Teilchen­ durchmessers bei Verwendung zweier Detektorpaare eingan­ gen. Mit einem derartigem PDA-Meßsystem werden diverse Störeffekte wie auch scheinbar willkürliche Streuungen des Teilchenmesser-Einzelmeßwertes durch den Einsatz mehrerer Detektoreinheiten umgangen.For example, C. Tropea, T.-H. Xu, F. Onofri, G. Gréhan and P. Haugen in "Dual Mode Phase Doppler Ane mometry ", Proceedings 7th International Symposium on Ap plication of Laser Fluid Mechanics, Lisbon, 1995, 18.3.1 to 18.3.7, a PDA measuring system is presented, which is a combination nation from a standard PDA system and a planar PDA system is. The system uses four detectors to to increase the accuracy of a particle diameter measurement hen. In another publication by C. Tropea, T.- H-Xu, F. Onofri, G. Grehan, P. Haugen and M. Stieglmeier ("Dual-Mode Phase-Doppler Anemometer", Part. Part. Syst. Charact. 13 (1996) 165 to 170) is even more precise on the Application and the method for evaluating the particle diameter when using two pairs of detectors With such a PDA measuring system various Interference effects as well as apparently arbitrary scattering of the Particle meter single measurement value by using several Bypassed detector units.

Aus der US-4,701,051 ist ein Laser-Doppler-Gerät bekannt, das drei Detektor-Einrichtungen aufweist, um auch über einen Phasendifferenzbereich von 2π hinaus messen zu kön­ nen. Drei Detektor-Einrichtungen werden auch dazu benutzt, um zwei Durchmessermessungen, und zwar mit einem kleinen und einem großen Durchmessermeßbereich, durchzuführen und die Meßergebnisse zu vergleichen.A laser Doppler device is known from US Pat. No. 4,701,051, which has three detector devices to also over to be able to measure a phase difference range of 2π nen. Three detector devices are also used to by two diameter measurements, with a small one and a large diameter measuring range to perform and  compare the measurement results.

Die oben beschriebenen Meßsysteme weisen den Nachteil auf, daß sie im Verhältnis zum einen Standard-PDA-Meßsystem deutlich mehr Geräte, insbesondere auf der Empfangsseite, d. h. mehr Detektor-Einrichtungen nebst Komponenten zur Spannungsversorgung und Signalverarbeitungseinrichtungen, wie z. B. Filtereinrichtungen, Signalverstärkerung- und - auswertungseinrichtungen umfassen und somit sehr teuer sind, zumal sie auch die für die Anwendungen typischerwei­ se sehr hohen Datenraten bewältigen können müssen.The measuring systems described above have the disadvantage that that they are relative to a standard PDA measurement system significantly more devices, especially on the receiving side, d. H. more detector devices and components Power supply and signal processing equipment, such as B. filter devices, signal amplification and - include evaluation facilities and therefore very expensive especially since they are typically those for the applications very high data rates.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine genauere Messung des Teilchendurchmessers und mit einem geringeren Geräteaufwand ermöglicht wird.The present invention is therefore based on the object de to provide a method and a device, with which a more accurate measurement of the particle diameter and is made possible with less equipment.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt
According to the invention, this object is achieved in that the method comprises the following steps

  • a) Erzeugen eines Intensitätsmusters monochromatischen, polarisierten Lichts aus mindestens einem Winkel­ spektrum ebener Lichtwellen, wobei das Meßvolumen als zumindest ein Teil des Bereiches bestimmt ist, in dem sich die ebenen Lichtwellen schneiden und das Intensitätsmuster bilden;a) generating an intensity pattern monochromatic, polarized light from at least one angle spectrum of plane light waves, the measurement volume is determined as at least part of the area in which the plane light waves intersect and that Form intensity pattern;
  • b) Erfassen des an dem sich durch das Meßvolumen bewe­ genden Teilchen gestreuten Lichts mit mindestens zwei auf das Meßvolumen ausgerichteten Detektor-Ein­ richtungen;b) Detect the moving through the measurement volume scattering light with at least two detector-in aligned to the measuring volume directions;
  • c) Bestimmen der Frequenzamplitudenspektren beider De­ tektor-Signale;c) determining the frequency amplitude spectra of both De  tector signals;
  • d) Bestimmen der Phasendifferenzen ΔΦ zwischen beiden Detektor-Signalen für diejenigen Frequenzen f, die sich in einem vorgebbaren Frequenzbereich befinden und deren Amplituden einen vorgebbaren Amplituden­ schwellenwert übersteigen;d) determining the phase differences ΔΦ between the two Detector signals for those frequencies f that are in a specifiable frequency range and their amplitudes a predeterminable amplitude exceed threshold;
  • e) Bestimmen des Durchmessers d des Teilchens anhand des Verlaufes der Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f-Kur­ ve.e) Determining the diameter d of the particle based on the course of the phase difference ΔΦ frequency f-Kur ve.

Unter einem Winkelspektrum ebener Lichtwellen sind mehrere ebene Lichtwellen zu verstehen, die nicht zueinander par­ allel sind, sondern sich über einen bestimmten Winkelbe­ reich ausbreiten.There are several under an angular spectrum of plane light waves to understand plane light waves that are not par to each other are allelic, but over a certain angle spread richly.

Diese Aufgabe wird zudem bei einer Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß sie umfaßt
This object is also achieved in a device of the type mentioned in that it includes

  • - eine Einrichtung zur Erzeugung eines Winkelspektrums ebener Lichtwellen, die sich im Meßvolumen schneiden und ein Intensitätsmuster monochromatischen polari­ sierten Lichts bilden,- A device for generating an angular spectrum flat light waves that intersect in the measuring volume and an intensity pattern monochromatic polar formed light,
  • - mindestens zwei auf das Meßvolumen ausgerichtete De­ tektor-Einrichtungen zur Erfassung und Detektierung des an dem sich durch das Meßvolumen bewegenden Teilchen gestreuten Lichts und zur Abgabe von Signa­ len und- At least two De aligned to the measuring volume tector devices for detection and detection of the one moving through the measuring volume Particles of scattered light and for the emission of Signa len and
  • - eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Ermittlung des Durchmessers des Teilchens, wobei die Signalver­ arbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Ermitt­ lung der Frequenzamplitudenspektren der Detektor- Signale umfaßt und die Signalverarbeitungseinrich­ tung so ausgebildet ist, daß sie die Phasendifferen­ zen zwischen den Detektorsignalen in einem vorgebba­ ren Frequenzbereich zu bestimmen und aus dem Verlauf der Phasendifferenz-Frequenz-Kurve den Durchmesser des Teilchens zu bestimmen vermag.- A signal processing device for determination of the diameter of the particle, the signal ver  work facility a facility for investigation the frequency amplitude spectra of the detector Includes signals and the signal processing device tion is designed so that it the phase differences zen between the detector signals in a predefined determine their frequency range and from the course the phase difference-frequency curve the diameter of the particle is able to determine.

Bei dem Verfahren kann gemäß einer ersten besonderen Aus­ führungsform vorgesehen sein, daß das Winkelspektrum mit­ tels eines im Meßvolumen fokussierten Laserstrahls erzeugt wird. Ein fokussierter Laserstrahl besteht nämlich aus einem Winkelspektrum ebener Lichtwellen.In the method, according to a first particular Aus be provided that the angular spectrum with generated by a laser beam focused in the measurement volume becomes. A focused laser beam consists of an angular spectrum of plane light waves.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß zwei Winkel­ spektren gleicher Lichtwellenlänge λ unter einem Schnitt­ winkel θ im Meßvolumen zum Schnitt gebracht werden. Das von den beiden Winkelspektren erzeugte Meßvolumen besteht dann aus Interferenzvolumina von Paaren ebener Lichtwel­ len.On the other hand, it can also be provided that two angles spectra of the same light wavelength λ under one cut angle θ can be cut in the measuring volume. The measurement volume generated by the two angular spectra then from interference volumes of pairs of flat light waves len.

Wiederum kann auch vorgesehen sein, daß drei Winkelspek­ tren gleicher Lichtwellenlänge λ im Meßvolumen zum Schnitt gebracht werden.Again, it can also be provided that three angle spectra the same light wavelength λ in the measurement volume for the cut to be brought.

Ferner kann vorgesehen sein, daß als auszuwertender Fre­ quenzbereich der gesamte Frequenzbereich vorgegeben wird.Furthermore, it can be provided that as Fre to be evaluated frequency range the entire frequency range is specified.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß als auszuwerten­ der Frequenzbereich der gesamte Frequenzbereich mit Aus­ nahme des Pedestal-Bereiches vorgegeben wird. Mit Pede­ stal-Bereich sind die Frequenzen im Bereich der Frequenz Null (Grundwellenanteil) gemeint.Alternatively, it can also be provided that to be evaluated the frequency range the entire frequency range with off the pedestal area is specified. With pede stal range are the frequencies in the frequency range  Zero (fundamental wave component) meant.

Wiederum alternativ kann vorgesehen sein, daß als auszu­ wertender Frequenzbereich der Pedestal-Bereich vorgegeben wird.Again alternatively it can be provided that as out the frequency range of the pedestal range becomes.

Günstigerweise werden die Frequenzamplitudenspektren mit­ tels Fourier-Transformation bestimmt.The frequency amplitude spectra are favorably included determined by Fourier transformation.

Weiterhin kann gemäß einer besonderen Ausführungsform vor­ gesehen sein, daß die Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f-Kurve in eine Phasendifferenz ΔΦ-Strahlschnittwinkel θ-Kurve umgewandelt und durch ein Polynom n-ten Grades angenähert, das ermittelte Polynom mit vorab bestimmten Polynomen zur Beschreibung von theoretisch berechneten ΔΦ-θ-Kurven für verschiedene Teilchendurchmesser verglichen und der Durch­ messer d des zu vermessenden Teilchens als derjenige Durchmesser bestimmt wird, bei dem die geringste Abwei­ chung zwischen dem Polynom der ermittelten ΔΦ-θ-Kurve und einem Polynom der theoretischen ΔΦ-θ-Kurven auftritt. Die Umwandlung der Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f-Kurve in eine Phasendifferenz ΔΦ-Strahlschnittwinkel θ-Kurve ist dabei vorteilhaft, da die Frequenz f von der jeweiligen Ge­ schwindigkeit des Teilchens abhängt. Je höher der Grad des Polynoms ist, desto genauer wird die Bestimmung des Teil­ chendurchmessers.Furthermore, according to a particular embodiment be seen that the phase difference ΔΦ frequency f curve into a phase difference ΔΦ-beam cut angle θ curve converted and approximated by an nth degree polynomial, the determined polynomial with predetermined polynomials for Description of theoretically calculated ΔΦ-θ curves for different particle diameters compared and the through knife d of the particle to be measured than that Diameter is determined at which the least deviation between the polynomial of the determined ΔΦ-θ curve and a polynomial of the theoretical ΔΦ-θ curves occurs. The Conversion of the phase difference ΔΦ frequency f curve into a Phase difference ΔΦ beam intersection angle θ curve is included advantageous because the frequency f of the respective Ge speed of the particle depends. The higher the degree of Is polynomial, the more accurate the determination of the part diameter.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die theoretischen ΔΦ-θ- Kurven unter Verwendung der Mie-Theorie berechnet werden.It can be provided that the theoretical ΔΦ-θ- Curves can be calculated using Mie theory.

Günstigerweise werden die Polynome mittels einer Regres­ sion berechnet. The polynomials are favorably determined by means of a Regres sion calculated.  

Dabei kann vorgesehen sein, daß Polynome zweiten Grades berechnet werden.It can be provided that polynomials of the second degree be calculated.

Günstigerweise wird die geringste Abweichung mittels Feh­ lerquadratminimierung der Polynomkoeffizienten bestimmt.The slightest deviation is favorably determined by means of error Square minimization of the polynomial coefficients determined.

Vorzugsweise wird die Messung verworfen, wenn weniger als m Frequenzen eine Amplitude aufweisen, die den Amplituden­ schwellenwert übersteigt. Damit wird eine Auswertung von z. B. verrauschten und damit erheblich fehlerbelasteten Signalen verhindert.Preferably the measurement is discarded if less than m frequencies have an amplitude that corresponds to the amplitudes threshold exceeds. This is an evaluation of e.g. B. noisy and therefore significantly error-prone Prevents signals.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß die Messung verworfen wird, wenn die Abweichung zwischen dem Polynom einer ge­ messenen ΔΦ-θ-Kurve und dem Polynom mit einer theoreti­ schen ΔΦ-θ-Kurve einen vorgebbaren Wert überschreitet.It can also be provided that the measurement is rejected is when the deviation between the polynomial of a ge measured ΔΦ-θ curve and the polynomial with a theoreti The ΔΦ-θ curve exceeds a predeterminable value.

Vorzugsweise entspricht der vorgebbare Wert der Breite ei­ ner Teilchendurchmesserklasse. Hierbei wird vorausgesetzt, daß - wie üblich - die Auswertung anhand von Teilchen­ durchmesserklassen, d. h. diskreten Teilchendurchmesserwer­ ten, vorgenommen wird.The predeterminable value preferably corresponds to the width ei ner particle diameter class. It is assumed that that - as usual - the evaluation based on particles diameter classes, d. H. discrete particle diameter ten is made.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die zur Bestimmung des Durchmessers d verwendeten Phasendifferenz ΔΦ-Werte in Durchmesser-Werte umgewandelt werden. Damit erhält man ne­ ben einem aus Mehrfachmessungen an demselben Teilchen be­ stimmten Teilchendurchmesser auch die einzelnen Ergebnisse der Mehrfachmessung.It can further be provided that the determination of the Diameter d used phase difference ΔΦ values in Diameter values are converted. So you get ne ben be from multiple measurements on the same particle particle diameters also matched the individual results the multiple measurement.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Phasendifferenz ΔΦ- Werte mittels Mie-Theorie in Durchmesser-Werte umgewandelt werden. Dies ist die derzeit genaueste Auswertung. It can be provided that the phase difference ΔΦ- Values converted into diameter values using Mie theory become. This is currently the most accurate evaluation.  

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Phasendiffe­ renz ΔΦ-Werte mittels geometrischer Optik in Durchmesser- Werte umgewandelt werden. Die geometrische Optik stellt nur eine Näherung für Teilchen mit einem Durchmesser von mehr als ungefähr 5 µm dar.Alternatively, it can also be provided that the phase differences limit ΔΦ values using geometric optics in diameter Values are converted. The geometric optics provide only an approximation for particles with a diameter of is more than about 5 µm.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß die Abweichungen der Durchmesser-Werte von dem Durchmesser d berechnet werden. Die berechneten Abweichungen können zur Beurteilung der Güte der Messung herangezogen werden.It can also be provided that the deviations of the Diameter values can be calculated from the diameter d. The calculated deviations can be used to assess the Quality of the measurement can be used.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß aus den Ab­ weichungen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für die Sphärizität des Teilchens liefert. Wenn die Abweichungen sehr gering sind, so bedeutet dies normalerweise, daß das Teilchen zumindest nahezu kugelförmig ist, da das Teilchen an mehreren Oberflächenbereichen vermessen worden ist.In particular, it can be provided that from Ab a size is calculated which is a measure of the Sphericity of the particle provides. If the deviations are very small, it usually means that the Particle is at least almost spherical because the particle has been measured on several surface areas.

Weiterhin kann dabei vorgesehen sein, daß die Messung ver­ worfen wird, wenn die Größe einen vorgebbaren Wert über- oder unterschreitet. Letzteres hängt davon ab, wie die Sphärizität-Größe definiert ist. Auf diese Weise werden z. B. Messungen verworfen, die stark von der der Mie-Theo­ rie zugrundeliegenden Annahme einer kugelförmigen Partikel abweichen.Furthermore, it can be provided that the measurement ver is thrown when the size exceeds a predeterminable value or falls below. The latter depends on how the Sphericity size is defined. That way e.g. B. Discarded measurements that are very different from that of Mie-Theo underlying assumption of a spherical particle differ.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß aus den Abwei­ chungen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für die Oberflächenstruktur des Teilchens liefert. Dies kann Vor­ teile haben, wenn das Teilchen im wesentlichen kugelförmig ist, jedoch eine gewisse Oberflächenfeinstruktur aufweist, die auf diese Weise genauer bestimmt wird. On the other hand, it can also be provided that from the deviation a size is calculated which is a measure of the Surface structure of the particle provides. This can be done before parts have when the particle is substantially spherical but has a certain surface fine structure, which is determined more precisely in this way.  

Es kann auch vorgesehen sein, daß aus den Abweichungen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für den Brechungs­ index des Teilchens liefert.It can also be provided that from the deviations a size is calculated that is a measure of the refraction index of the particle provides.

Außerdem kann auch vorgesehen sein, daß aus den Abweichun­ gen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für die Zusam­ mensetzung des Teilchens liefert. Mit Zusammensetzung ist z. B. eine Suspension oder Emulsion gemeint.It can also be provided that from the deviations a size is calculated, which is a measure of the total of the particle provides. With composition is e.g. B. meant a suspension or emulsion.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfin­ dung kann vorgesehen sein, daß die Geschwindigkeit des Teilchens anhand des Frequenzamplitudenspektrums zuminde­ stens eines der Detektor-Signale bestimmt wird.According to a further special embodiment of the invention can be provided that the speed of the Particle based on the frequency amplitude spectrum least one of the detector signals is determined.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß die Geschwin­ digkeit des Teilchens anhand der Breite der Frequenzampli­ tudenverteilung im Pedestal-Bereich bestimmt wird. Dies ist zumindest dann erforderlich, wenn nur der Pedestal zur Auswertung verwendet wird.On the other hand, it can also be provided that the speed particle size based on the width of the frequency ampli distribution in the pedestal area is determined. This is at least necessary if only the pedestal is used Evaluation is used.

Andererseits kann vorgesehen sein, daß die Frequenz, bei der das Frequenzamplitudenspektrum ein lokales Maximum aufweist, in einen die Geschwindigkeit des Teilchens be­ stimmenden Meßwert umgewandelt wird.On the other hand, it can be provided that the frequency at which the frequency amplitude spectrum is a local maximum has in a be the speed of the particle correcting measured value is converted.

Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn das Fre­ quenzamplitudenspektrum vorab im Bereich des/der Maximums- Maxima interpoliert wird.In particular, it is advantageous if the fre frequency amplitude spectrum in advance in the range of the maximum Maxima is interpolated.

Vorteilhafterweise wird die Messung verworfen, wenn die aus beiden Detektor-Signalen ermittelten Geschwindigkeiten sich um einen vorgebbaren Betrag oder mehr unterscheiden. The measurement is advantageously discarded if the velocities determined from both detector signals differ by a predetermined amount or more.  

Die Vorrichtungsunteransprüche betreffen vorteilhafte Wei­ terbildungen der Vorrichtung.The device dependent claims relate to advantageous Wei further developments of the device.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß ein Winkelspektrum ebener Lichtwellen, die im Meßvolu­ men zum Schnitt gebracht werden, nicht zu einem einzigen, sondern zu mehreren Interferenzvolumina von Paaren ebener Lichtwellen und dies wiederum zu einem Detektor-Signal führt, das nicht eine einzige Frequenz, sondern eine Fre­ quenzverteilung enthält. Mit dem vorliegenden Verfahren wird die in der Frequenzverteilung zusätzlich enthaltene Information ausgenutzt, um genauere Messungen des Teil­ chendurchmessers durchzuführen und weitere Informationen über die Meßgenauigkeit und die Gestalt und/oder Zusammen­ setzung des Teilchens zu erhalten. Die Ermittlung einer Phasendifferenz-Frequenz-Verteilung aus einem jeweiligen Signalpaar entspricht nämlich einer Anzahl von parallel durchgeführten Durchmessermessungen an demselben Teilchen, wobei jeweils andere Oberflächenbereiche für die Messung genutzt werden. Der Einsatz von komplexeren Intensitäts­ mustern führt zu variableren Stützstellenverteilungen der Phasendifferenz-Frequenz-Kurve. Die Informationsmenge läßt sich durch Erhöhung der Anzahl der auswertbaren Spektral­ linien weiter steigern. Es treten dann nämlich weitere auswertbare Phasendifferenz-Frequenz-Wertepaare auf, die einer größeren Anzahl von parallel durchgeführten Messun­ gen entsprechen. Die Erfindung weist im einzelnen die fol­ genden Vorteile auf:
The invention is based on the surprising finding that an angular spectrum of plane light waves, which are brought to the section in the measuring volu, not to a single but to several interference volumes of pairs of plane light waves and this in turn leads to a detector signal which is not a single one Frequency, but contains a frequency distribution. With the present method, the information additionally contained in the frequency distribution is used to carry out more precise measurements of the particle diameter and to obtain further information about the measurement accuracy and the shape and / or composition of the particle. The determination of a phase difference-frequency distribution from a respective signal pair corresponds to a number of diameter measurements carried out in parallel on the same particle, with different surface areas being used for the measurement. The use of more complex intensity patterns leads to more variable support point distributions of the phase difference-frequency curve. The amount of information can be further increased by increasing the number of spectral lines that can be evaluated. This is because further evaluable phase difference-frequency value pairs then occur which correspond to a larger number of measurements carried out in parallel. The invention has the following advantages in detail:

  • - Es ist eine Verifikation der Einzeldurchmessermes­ sung durch parallele Durchmessermessungen möglich.- It is a verification of the single diameter measurement possible through parallel diameter measurements.
  • - Im Vergleich zur Phasen-Doppler-Anemometrie ergibt sich durch die Mehrfachmessung eine deutliche Stei­ gerung der Genauigkeit des Einzelmeßergebnisses bei einem vergleichbaren apparativen und finanziellen Aufwand. Gegenüber den eingangs beschriebenen erwei­ terten PDA-Meßsystemen ist für die Durchführung des Verfahrens ein deutlich geringerer Geräteaufwand und damit geringerer Kostenaufwand erforderlich. Auf diesem Wege kann die Genauigkeit der Teilchendurch­ messermessungen wie auch die Unempfindlichkeit ge­ genüber Fehlerquellen so gesteigert werden, daß eine derartige Meßtechnik auch in Anwendungsbereichen mit höheren Anforderungen an die Teilchengrößenbestim­ mung einsetzbar ist. Hier sind als Beispiele Massen­ bilanzierungen oder die Bestimmungen von Volumen- und Massenteilungen, in die die dritte Potenz des Teilchendurchmessers eingeht, zu nennen. Eine Ver­ vielfachung der auswertbaren Teilchendurchmesserda­ tenmenge unter Verwendung eines Minimums an Geräten auf der Sende- und/oder Empfangsseite stellen die Basis für ein optisches Partikelmeßsystem dar, mit dem sich selbst Volumenverteilungen zuverlässig mes­ sen lassen.- Compared to phase Doppler anemometry  a clear slope due to the multiple measurement the accuracy of the individual measurement result a comparable apparatus and financial Expenditure. Compared to the previously described is PDA measuring systems for the implementation of the Process significantly less equipment and thus lower costs are required. On this way the accuracy of the particles can be knife measurements as well as the insensitivity compared to sources of error are increased so that a such measurement technology also in application areas higher particle size requirements tion can be used. Here are masses as examples accounting or the determination of volume and mass divisions into which the third power of the Particle diameter comes to name. A ver multiplication of the evaluable particle diameter amount using a minimum of equipment on the sending and / or receiving side represent the Basis for an optical particle measurement system, with which itself reliably measures volume distributions let it.
  • - Jede einzelne Phasendifferenz bezieht sich auf einen anderen Oberflächenbereich des Teilchens. Hierdurch werden Aussagen über die Oberfläche des Teilchens möglich.- Each individual phase difference relates to one other surface area of the particle. Hereby are statements about the surface of the particle possible.
  • - Der Durchmessermeßbereich wird nicht durch den Pha­ sendifferenzmeßbereich von 2π begrenzt. Während bei einer Standard-PDA-Meßanordnung eine einzige Phasen­ differenz als Meßwert nicht ausreicht, um zu ent­ scheiden, ob eine Phasendifferenz beispielsweise 27 Grad oder 360 Grad plus 27 Grad beträgt, ist dies gemäß dem vorliegenden Verfahren sofort möglich, sobald mehr als eine Phasendifferenz bei unter­ schiedlichen Frequenzen (Spektrallinien) zur Verfü­ gung stehen. Schon die lokale Steigung der Phasen­ differenz ΔΦ-Frequenz f-Kurve am Ort nur eines Fre­ quenzamplituden-Peaks, wie er bei einer Standard- PDA-Meßanordunug zu finden ist, reicht für das vor­ liegende Verfahren aus, um zu entscheiden, wieviel­ fach der Meßbereich (2π) überschritten wurde. Bei Verwendung von zwei Laserstrahlen wie bei einer Standard-PDA-Meßanordnung erlaubt im Normalfall die Annahme einer linearen Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f-Beziehung die Grobeinordnung der Phasendifferenz anhand der lokalen Steigung. Im allgemeinen Fall kann die Grobeinordnung folgendermaßen erfolgen: Soll im Zuge einer schnellen Auswertung die gemesse­ ne Phasendifferenz ΔΦ Frequenz f-Kurve mittels eines Polynoms mit einem Argumentbereich größer als 2 π genähert werden, so muß die Grobeinordnung bereits vor der Näherung vorgenommen werden. Hier wird an­ hand der lokalen Steigung entschieden, ob die Pha­ sendifferenzen ΔΦ einzelner Frequenzamplitudenver­ teilungen um ein Vielfaches von 2π verschoben wer­ den sollen.- The diameter measuring range is not determined by the Pha transmit differential measurement range limited by 2π. While at a standard PDA measuring arrangement a single phase difference as a measured value is not sufficient to ent decide whether a phase difference is 27, for example  Degrees or 360 degrees plus 27 degrees, this is immediately possible according to the present procedure, once more than one phase difference at under different frequencies (spectral lines) are available stand. Already the local gradient of the phases difference ΔΦ frequency f curve at the location of only one Fre frequency-amplitude peaks, as is the case with a standard PDA measuring arrangement is sufficient for that lying procedures to decide how much times the measuring range (2π) was exceeded. At Use of two laser beams like one Standard PDA measuring arrangement normally allows Assumption of a linear phase difference ΔΦ frequency f-relationship the rough arrangement of the phase difference based on the local slope. In the general case the rough classification can be done as follows: Should the measured in the course of a quick evaluation ne phase difference ΔΦ frequency f curve using a Polynomials with an argument range greater than 2π to be approximated, the rough arrangement must already be made before the approximation. Here is on Based on the local slope, it was decided whether the Pha transmit differences ΔΦ of individual frequency amplitudes divisions shifted by a multiple of 2π who that should.
  • - Es steht eine parallel durch dasselbe Gerät gemesse­ ne Anzahl von Phasendifferenzen zur Verfügung, um eine Beurteilung der Meßwertgüte zu erlauben.- There is a parallel measured by the same device ne number of phase differences available to to allow an assessment of the measured value quality.
  • - Das Meßverfahren ist gegenüber Schwankungen in der Signalform, d. h. Verschiebungen im Frequenzspektrum, unempfindlich.- The measuring method is against fluctuations in the Waveform, d. H. Shifts in the frequency spectrum, insensitive.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind.Further features and advantages of the invention result from the claims and from the description below, in the exemplary embodiments based on the schematic Drawings are explained in detail.

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1a schematisch eine Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Vorrichtung, FIG. 1a schematically illustrates an embodiment of he inventive device,

Fig. 1b Details einer Einrichtung zur Erzeugung dreier Winkelspektren in Form von drei fo­ kussierten Laserstrahlen mit derselben Lichtwellenlänge λ der Vorrichtung von Fig. 1a; Fig. 1b details of a device for generating three angle spectra in the form of three fo fused laser beams with the same light wavelength λ of the device of Fig. 1a;

Fig. 2 eine kombinierte Darstellung eines Fre­ quenzamplitudenspektrums und der zugehöri­ gen gemessenen und theoretisch ermittelten spektralen Phasendifferenz; und Fig. 2 is a combined representation of a frequency spectrum spectrum and the associated measured and theoretically determined spectral phase difference; and

Fig. 3 eine kombinierte Darstellung eines Fre­ quenzamplitudenspektrums und der zugehöri­ gen theoretisch ermittelten spektralen Pha­ sendifferenz für einen simulierten Durch­ gang eines 2 µm-Teilchens durch nur einen einzigen fokussierten Laserstrahl. Fig. 3 is a combined representation of a frequency spectrum spectrum and the associated theoretically determined spectral phase difference for a simulated passage of a 2 µm particle by only a single focused laser beam.

Fig. 1a zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung. Auf der Sendeseite (links in Fig. 1a) schneiden sich drei Laserstrahlen 20, 22, 24 mit derselben Lichtwellenlänge λ unter einem Strahlschnittwin­ kel θ1 bzw θ2. Auf der Empfangsseite (rechts in Fig. 1a) sind zwei Detektoreinrichtungen 30, 32 zur Erfassung und Detektierung des an dem sich durch das Meßvolumen bewegen­ den Teilchen gestreuten Lichts und zur Abgabe von Signalen unter demselben off-axis-Winkel ϕ symmetrisch zur x-y- Ebene, d. h. unter einem jeweiligen Elevation-Winkel +Ψ bwz. -Ψ angeordnet, so daß sie auf einer Graden parallel zur Bewegungsrichtung der Teilchenliegen. Die Winkel sind wie folgt gewählt: θ1 = 2,40 Grad, θ2 = 2,86 Grad, ϕ = 35 Grad und Ψ = 1,85 Grad. Fig. 1a shows schematically an embodiment of the device according to the inven tion. On the transmission side (left in Fig. 1a), three laser beams 20 , 22 , 24 intersect with the same light wavelength λ under a beam cut angle θ 1 and θ 2 . On the receiving side (on the right in FIG. 1a) are two detector devices 30 , 32 for detecting and detecting the light scattered by the particles moving through the measurement volume and for emitting signals at the same off-axis angle ϕ symmetrical to the xy plane , ie at a respective elevation angle + Ψ bwz. -Ψ arranged so that they lie on a degree parallel to the direction of movement of the particles. The angles are chosen as follows: θ 1 = 2.40 degrees, θ 2 = 2.86 degrees, ϕ = 35 degrees and Ψ = 1.85 degrees.

Fig. 1b zeigt Details einer Einrichtung zur Erzeugung eines Winkelspektrums in Form von drei mittels einer Linse 26 fokussierten Laserstrahlen 20, 22, 24 mit derselben Lichtwellenlänge λ der Vorrichtung von Fig. 1b. Die Laser­ wellenlänge λ beträgt 632,8 nm. Der Laserstrahl hat am Laserkopf (nicht gezeigt) direkt vor der ersten Linse 34 einen Durchmesser von 1,2 mm. Als Strahlteiler dient ein Beugungsgitter 28 mit einer Gitterkonstanten g von 8 µm. Um die drei fokussierten Laserstrahlen 20, 22, 24 zu er­ zeugen, werden die beiden ersten und die nullte Beugungs­ ordnung benutzt. Um drei unterschiedliche dominante Fre­ quenzen (Frequenz-Peak) zu erzeugen, ist das Gitter ge­ neigt. Dies hat zur Folge, daß die Beugungsordnungen mit gleichem Betrag im Gegensatz zu einem senkrecht angeord­ neten Gitter nicht mehr gleiche Beugungswinkel aufweisen. Hierdurch läßt sich erreichen, daß bei Verwendung der Beu­ gungen -1-, 0- und +1-ter Ordnungen, die aufgrund ihrer hohen und - dies ist für ein ausgeprägtes Intensitätsmu­ ster besonders wichtig - vergleichbaren Strahlintensitäten verwendet werden sollten, neben dem Pedestal drei unter­ schiedlich dominante Frequenzen im Detektor-Signal zu fin­ den sind. Diese ergeben sich durch paarweise Interferenz der drei Laserstrahlen und liefern somit mindestens drei Stützstellen des Verlaufes der Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f-Kurve, die nachfolgend als spektrale Phasendifferenz bezeichnet wird, da für den Begriff "Frequenz" im Bereich der Signalverarbeitung auch der Begriff "Spektrallinie" verwendet wird. FIG. 1b shows details of a device for generating an angular spectrum in the form of three by means of a lens 26 focused laser beams 20, 22, 24 with the same light wavelength λ of the device of FIG. 1b. The laser wavelength λ is 632.8 nm. The laser beam has a diameter of 1.2 mm at the laser head (not shown) directly in front of the first lens 34 . A diffraction grating 28 with a grating constant g of 8 μm serves as the beam splitter. In order to produce the three focused laser beams 20 , 22 , 24 , the first two and the zeroth diffraction orders are used. The grating is inclined to generate three different dominant frequencies (frequency peak). This has the consequence that the diffraction orders with the same amount in contrast to a vertically arranged grating no longer have the same diffraction angle. This makes it possible to achieve that when using the diffraction -1-, 0- and + 1-th orders, which due to their high and - this is particularly important for a pronounced intensity pattern - comparable beam intensities should be used in addition to the pedestal different dominant frequencies can be found in the detector signal. These result from pair interference of the three laser beams and thus provide at least three support points of the course of the phase difference ΔΦ-frequency f-curve, which is referred to below as the spectral phase difference, since for the term "frequency" in the field of signal processing, the term "spectral line"" is used.

Fig. 2 zeigt eine kombinierte Darstellung eines Frequenz­ amplitudenspektrums (Balkendiagramm) eines Detektor-Sig­ nals beim Durchgang eines Teilchens durch das Meßvolumen und der zugehörigen gemessenen (Kreis-, Dreieck- und Qua­ drat-Symbole) und theoretisch ermittelten (durchgezogene Linie) spektralen Phasendifferenzen. Da im vorliegenden Fall der Pedestalbereich nicht mit ausgewertet wird, fehlt dieser auch in der Darstellung des Frequenzamplitudenspek­ trums. Die Punkt-, Quadrat- und Dreieck-Symbole stellen gemessene Phasendifferenzen dar. Die durchgezogene Linie ergibt sich mittels der Mie-Theorie für ein Teilchen mit einem Durchmesser von 85 µm. Wie der Darstellung der spek­ tralen Phasendifferenz entnehmbar ist, liegen die gemesse­ nen Phasendifferenzwerte im Bereich der dominanten Fre­ quenzen sehr gut auf der berechneten Kurve, während außer­ halb dieser Bereiche große Streuungen auftreten. Dies rührt daher, daß die kleinen Frequenzamplituden sich auf­ grund von Rauschen ergeben. Es muß daher durch Festlegung eines geeigneten Amplitudenschwellenwerts sichergestellt werden, daß durch Rauschen bedingte Frequenzanteile nicht ausgewertet werden. Fig. 2 shows a combined representation of a frequency amplitude spectrum (bar graph) of a detector signal when a particle passes through the measurement volume and the associated measured (circle, triangle and square symbols) and theoretically determined (solid line) spectral phase differences . Since the pedestal area is not evaluated in the present case, it is also missing in the representation of the frequency amplitude spectrum. The point, square and triangle symbols represent measured phase differences. The solid line results from Mie theory for a particle with a diameter of 85 µm. As can be seen from the representation of the spectral phase difference, the measured phase difference values in the area of the dominant frequencies lie very well on the calculated curve, while large deviations occur outside of these areas. This is because the small frequency amplitudes result from noise. It must therefore be ensured by determining a suitable amplitude threshold that frequency components caused by noise are not evaluated.

Fig. 3 zeigt eine kombinierte Darstellung eines Frequenz­ amplitudenspektrums eines Detektor-Signals und der zuge­ hörigen theoretisch ermittelten spektralen Phasendifferenz für einen simulierten Durchgang eines 2 µm-Teilchens durch nur einen einzigen fokussierten Laserstrahl. Das Frequenz­ amplitudenspektrum weist nur im Pedestal-Bereich Frequenz­ anteile auf. Sofern die Frequenzverteilung ausreichend breit ist, d. h. eine für die weitere Auswertung ausrei­ chende Anzahl von Stützstellen liefert, reicht somit auch ein einziger Laserstrahl aus, um den Teilchendurchmesser mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen. Fig. 3 shows a combined representation of a frequency amplitude spectrum of a detector signal and the associated theoretically determined spectral phase difference for a simulated passage of a 2 µm particle by only a single focused laser beam. The frequency amplitude spectrum only has frequency components in the pedestal range. If the frequency distribution is sufficiently wide, ie provides a sufficient number of support points for further evaluation, a single laser beam is sufficient to determine the particle diameter with high accuracy.

Im folgenden soll die Auswertung der gemessenen spektralen Phasendifferenzen, d. h. der Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f- Kurven beschrieben werden:The following is the evaluation of the measured spectral Phase differences, d. H. the phase difference ΔΦ frequency f- Curves are described:

Vorab sind theoretische Phasendifferenz ΔΦ-Strahlschnitt­ winkel θ-Kurven für jede gewünschte Teilchendurchmesser­ klasse zu berechnen. Diese theoretischen ΔΦ-θ-Kurven wer­ den durch ein Polynom eines vorgegebenen, die Genauigkeit der späteren Auswertung bestimmenden Grades angenähert. Bei kugelförmigen Partikeln kann für die Berechnung der theoretischen Δπ-θ-Kurven ein Mie-Progamm eingesetzt wer­ den. Über die Relation zwischen Interferenzstreifenabstand Δ, Strahlschnittwinkel θ und Laserwellenlänge λ, wird die Abszisse vom Strahlschnittwinkel θ auf den Kehrwert des Interferenzstreifenabstandes Δ umgerechnet:
Theoretical phase difference .DELTA..phi. Intersection angle .theta. Curves have to be calculated in advance for each desired particle diameter class. These theoretical ΔΦ-θ curves are approximated by a polynomial of a predetermined degree that determines the accuracy of the later evaluation. In the case of spherical particles, a Mie program can be used to calculate the theoretical Δπ-θ curves. The abscissa is converted from the beam cutting angle θ to the reciprocal of the interference strip spacing Δ using the relationship between interference fringe spacing Δ, beam intersection angle θ and laser wavelength λ:

Dieser Kehrwert ist nun über die Geschwindigkeitskomponen­ te |vz| des Teilchens senkrecht zu den Interferenzstreifen mit der jeweiligen Frequenz wie folgt verknüpft:
This reciprocal value is now over the speed components te | v z | of the particle perpendicular to the interference fringes with the respective frequency as follows:

Der Proportionalitätsfaktor |vz| wird über den Vergleich einer ausgezeichneten Frequenz mit dem zugehörigen Strahl­ schnittwinkel θ bestimmt. Als eine solche ausgezeichnete Frequenz eignet sich beispielsweise der Peak eines Fre­ quenzamplitudenspektrums. Diesem Peak, der sich durch Gaußinterpolation auch genauer als auf eine Spektrallinie bestimmen läßt, ist der Strahlschnittwinkel des zugehöri­ gen Laserstrahlpaares zuzuordnen. Da sich die Geschwindig­ keitskomponente |vz| bei jeder Messung an einem Teilchen ändert, bietet es sich an, die gemessene spektrale Phasen­ differenz, also die ΔΦ-f-Kurve in eine ΔΦ-θ-Kurve umzu­ rechnen. Für die weitere Auswertung werden nur die Strahl­ schnittwinkel berücksichtigt, bei denen sich die Frequenz­ amplituden in ausreichender Höhe aus dem Rauschen abheben. Über eine Regression wird schließlich durch die verblei­ benden Punkte (ΔΦ-θ-Paare) ein Polynom des zuvor bereits bei den theoretisch berechneten ΔΦ-θ-Kurven gewählten Gra­ des gelegt. Mittels beispielsweise Fehlerquadratminimie­ rung der Polynomkoeffizienten wird das ähnlichste der be­ rechneten Polynome der theoretischen ΔΦ-θ-Kurven gefunden. Da jedes berechnete Polynom für eine Teilchendurchmesser­ klasse steht, ist damit der Teilchendurchmesser bekannt. Der Gesamtfehler der Durchmesserbestimmung setzt sich aus dem der Regression und dem Fehlerquadrat der Durchmesserklassenzuordnung zusammen. Er liefert die Ge­ nauigkeit und auch die Güte der Vermessung des Teilchens. Liegt der Fehler deutlich höher als durch den Abstand zwi­ schen zwei benachbarten Kurven, was also durch die Durch­ messerklassenbreite zu erklären wäre, muß die Messung als fehlerhaft bezeichnet werden.The proportionality factor | v z | is determined by comparing an excellent frequency with the associated beam cut angle θ. For example, the peak of a frequency amplitude spectrum is suitable as such an excellent frequency. This peak, which can also be determined more precisely than on a spectral line by Gaussian interpolation, is to be assigned the beam cutting angle of the associated laser beam pair. Since the speed component | v z | with each measurement on a particle, it makes sense to convert the measured spectral phase difference, i.e. the ΔΦ-f curve into a ΔΦ-θ curve. For the further evaluation, only the beam cut angles are taken into account, at which the frequency amplitudes stand out from the noise at a sufficient level. Using a regression, the remaining points (ΔΦ-θ pairs) are used to place a polynomial of the size previously selected for the theoretically calculated ΔΦ-θ curves. For example, by minimizing the error of the polynomial coefficients, the most similar of the calculated polynomials of the theoretical ΔΦ-θ curves is found. Since every calculated polynomial stands for a particle diameter class, the particle diameter is known. The total error of the diameter determination is made up of that of the regression and the error square of the diameter class assignment. It provides the accuracy and also the quality of the measurement of the particle. If the error is significantly higher than the distance between two adjacent curves, which could be explained by the diameter class width, the measurement must be described as incorrect.

Im Falle einer durch nur einen Laserstrahl hervorgerufenen Frequenzamplitudenverteilung, wenn also nur der Pedestal zur Messung herangezogen werden soll, ist der Peak nicht als ausgezeichnete Frequenz im obigen Sinne verwendbar, weil er hier bei der Frequenz Null zu finden ist. Die ein­ fachste Möglichkeit, den Faktor |vz| zu bestimmen, ist bei der gemessenen Gaußverteilung, nicht bei der transformier­ ten, durch Gaußinterpolation die Verteilungsbreite zu be­ stimmen, mit der Signalabtastfrequenz in Beziehung zu set­ zen und so die Zeit für das Durchqueren des Laserstrahls zu berechnen. Zusammen mit dem bekannten Durchmesser des eingesetzten Laserstrahls folgt die Geschwindigkeitskom­ ponente |vz|.In the case of a frequency amplitude distribution caused by only one laser beam, i.e. if only the pedestal is to be used for the measurement, the peak cannot be used as an excellent frequency in the above sense because it can be found here at zero frequency. The simplest way, the factor | v z | to determine, is to be determined in the measured Gaussian distribution, not in the transformed th, by Gaussian interpolation, the distribution width be related to the signal sampling frequency in relation and thus calculating the time for crossing the laser beam. Together with the known diameter of the laser beam used, the velocity component | v z | follows.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die transformierte Verteilung zu nehmen, d. h. anstelle des gaußförmigen Si­ gnals die - fast - gaußförmige Intensitätsverteilung nach der Fouriertransformation zu verwenden. Die Verteilungs­ breiten sind umgekehrt proportional zueinander und können direkt ineinander umgerechnet werden. Mit der zurückge­ rechneten Verteilungsbreite der Verteilung im Meßsignal wird weiter so verfahren, wie bei der einfachsten vorge­ stellten Möglichkeit. Auch im Frequenzraum ist die Vertei­ lungsbreite zunächst über eine Gaußinterpolation zu be­ stimmen.A second option is the transformed one To take distribution, d. H. instead of the Gaussian Si gnals after the - almost - Gaussian intensity distribution to use the Fourier transform. The distribution widths are inversely proportional to each other and can can be converted directly into each other. With the returned calculated distribution width of the distribution in the measurement signal will continue as described for the simplest posed possibility. The distribution is also in the frequency domain to be first of all via a Gaussian interpolation voices.

Bei der Auswertung ist es als wesentlich hervorzuheben, daß jede der im Frequenzamplitudenspektrum des Detektor- Signals verwertbare, d. h. über das Rauschen hervorgehobene Spektrallinie (Frequenz) als Ergebnis einer unabhängigen virtuellen (PDA)-Messung angesehen wird und dementspre­ chend ausgewertet wird.When evaluating, it is important to emphasize that each of the frequency amplitude spectrum of the detector Signals usable, i. H. highlighted above the noise Spectral line (frequency) as a result of an independent virtual (PDA) measurement is viewed and accordingly  is evaluated accordingly.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Widersprüche zwischen den einzelnen Phasendifferenzen entweder auf Un­ terschiede in den Übertragungsfunktionen beider Detektor- Einrichtungen zurückgeführt werden oder darauf, daß es sich nicht um ein einzelnes, sphärisches Streuobjekt han­ delt. Es können Verfälschungen der Durchmesserbestimmung durch Nichtsphärizität oder Mehrfachstreuung erkannt wer­ den, wodurch zusätzliche Validierungskriterien zur Verfü­ gung stehen. Darüber hinaus kann der Meßbereich für die Phasendifferenz über den 2π-Bereich ausgedehnt werden.With the inventive method contradictions can between the individual phase differences either on Un differences in the transfer functions of both detector Facilities are traced or insisted that it is not a single, spherical scattering object delt. There may be falsifications of the diameter determination who is recognized by non-sphericity or multiple scattering which means that additional validation criteria are available stand. In addition, the measuring range for the Phase difference can be extended over the 2π range.

Claims (42)

1. Verfahren zum Messen des Durchmessers eines sich durch ein Meßvolumen bewegenden Teilchens, das die folgenden Schritte umfaßt:
  • a) Erzeugen eines Intensitätsmusters monochromatischen, polarisierten Lichts aus mindestens einem Winkel­ spektrum ebener Lichtwellen, wobei das Meßvolumen als zumindest ein Teil des Bereiches bestimmt ist, in dem sich die ebenen Lichtwellen schneiden und das Intensitätsmuster bilden;
  • b) Erfassen des an dem sich durch das Meßvolumen bewe­ genden Teilchen gestreuten Lichts mit mindestens zwei auf das Meßvolumen ausgerichteten Detektor-Ein­ richtungen;
  • c) Bestimmen der Frequenzamplitudenspektren beider De­ tektor Signale;
  • d) Bestimmen der Phasendifferenzen ΔΦ zwischen beiden Detektor-Signalen für diejenigen Frequenzen f, die sich in einem vorgebbaren Frequenzbereich befinden und deren Amplituden einen vorgebbaren Amplituden­ schwellenwert übersteigen;
  • e) Bestimmen des Durchmessers d des Teilchens anhand des Verlaufes der Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f-Kur­ ve.
1. A method for measuring the diameter of a particle moving through a measuring volume, comprising the following steps:
  • a) generating an intensity pattern of monochromatic, polarized light from at least one angle spectrum of plane light waves, the measurement volume being determined as at least a part of the area in which the plane light waves intersect and form the intensity pattern;
  • b) detecting the light scattered on the particles moving through the measuring volume with at least two detector devices aligned with the measuring volume;
  • c) determining the frequency amplitude spectra of both detector signals;
  • d) determining the phase differences ΔΦ between the two detector signals for those frequencies f which are in a predeterminable frequency range and whose amplitudes exceed a predeterminable amplitude threshold value;
  • e) determining the diameter d of the particle on the basis of the course of the phase difference ΔΦ frequency f-Kur ve.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelspektrum mittels eines im Meßvolumen fokussier­ ten Laserstrahls erzeugt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the angle spectrum by means of a focus in the measuring volume ten laser beam is generated. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Winkelspektren gleicher Lichtwellenlänge λ unter einem Schnittwinkel θ im Meßvolumen zum Schnitt ge­ bracht werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized net that two angular spectra of the same light wavelength λ at a cutting angle θ in the measuring volume for the cut ge be brought. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß drei Winkelspektren gleicher Lichtwellenlänge λ im Meßvolumen zum Schnitt gebracht werden.4. The method according to claim 1 or 2, characterized net that three angle spectra of the same light wavelength λ brought to the cut in the measuring volume. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß als auszuwertender Frequenzbereich der gesamte Frequenzbereich vorgegeben wird.5. The method according to claim 3 or 4, characterized net that the entire frequency range to be evaluated  Frequency range is specified. 6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß als auszuwertender Frequenzbereich der gesamte Frequenzbereich mit Ausnahme des Pedestal-Bereiches vor­ gegeben wird.6. The method according to claim 3 or 4, characterized in net that the entire frequency range to be evaluated Frequency range with the exception of the pedestal range is given. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als auszuwertender Frequenzbereich der Pedestal-Bereich vorgegeben wird.7. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized characterized in that the frequency range to be evaluated is the Pedestal area is specified. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Frequenzamplitudenspektren mittels Fourier-Transformation bestimmt werden.8. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that the frequency amplitude spectra can be determined by means of a Fourier transformation. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz ΔΦ-Frequenz f-Kur­ ve in eine Phasendifferenz ΔΦ-Strahlschnittwinkel θ-Kurve umgewandelt und durch ein Polynom n-ten Grades angenähert, das ermittelte Polynom mit vorab bestimmten Polynomen zur Beschreibung von theoretisch berechneten ΔΦ-θ-Kurven für verschiedene Teilchendurchmesser verglichen und der Durch­ messer d des zu vermessenden Teilchens als derjenige Durchmesser bestimmt wird, bei dem die geringste Abwei­ chung zwischen dem Polynom der ermittelten ΔΦ-θ-Kurve und einem Polynom der theoretischen ΔΦ-θ-Kurven auftritt.9. The method according to any one of claims 3 to 8, characterized characterized in that the phase difference ΔΦ frequency f-Kur ve into a phase difference ΔΦ beam intersection angle θ curve converted and approximated by an nth degree polynomial, the determined polynomial with predetermined polynomials for Description of theoretically calculated ΔΦ-θ curves for different particle diameters compared and the through knife d of the particle to be measured than that Diameter is determined at which the least deviation between the polynomial of the determined ΔΦ-θ curve and a polynomial of the theoretical ΔΦ-θ curves occurs. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die theoretischen ΔΦ-θ-Kurven unter Verwendung der Mie- Theorie berechnet werden.10. The method according to claim 9, characterized in that the theoretical ΔΦ-θ curves using the Mie Theory can be calculated. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polynome mittels einer Regression be­ rechnet werden.11. The method according to claim 9 or 10, characterized indicates that the polynomials be  be counted. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Polynome zweiten Grades berechnet wer­ den.12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized characterized that second degree polynomials are calculated the. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die geringste Abweichung mittels Feh­ lerquadratminimierung der Polynomkoeffizienten bestimmt wird.13. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized characterized that the slightest deviation by means of mis Square minimization of the polynomial coefficients determined becomes. 14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messung verworfen wird, wenn weniger als m Frequenzen eine Amplitude aufweisen, die den Amplitudenschwellenwert übersteigt.14. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that the measurement is discarded if less than m frequencies have an amplitude that the Amplitude threshold exceeds. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung verworfen wird, wenn die Abweichung zwischen dem Polynom einer gemessenen ΔΦ-θ-Kur­ ve und dem Polynom einer theoretischen ΔΦ-θ-Kurve einen vorgebbaren Wert überschreitet.15. The method according to any one of claims 9 to 14, characterized characterized in that the measurement is discarded when the Deviation between the polynomial of a measured ΔΦ-θ curve ve and the polynomial of a theoretical ΔΦ-θ curve predeterminable value exceeds. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgebbare Wert der Breite einer Teilchendurchmes­ serklasse entspricht.16. The method according to claim 15, characterized in that the predeterminable value of the width of a particle diameter class corresponds. 17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zur Bestimmung des Durchmes­ sers d verwendeten Phasendifferenz ΔΦ-Werte in Durchmes­ ser-Werte umgewandelt werden.17. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that the for determining the diameter sers d used phase difference ΔΦ values in diam ser values are converted. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Phasendifferenz ΔΦ-Werte mittels Mie-Theorie in Durch­ messer-Werte umgewandelt werden.18. The method according to claim 17, characterized in that that phase difference ΔΦ values using Mie theory in through  knife values are converted. 19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz ΔΦ-Werte mittels geometrischer Op­ tik in Durchmesser-Werte umgewandelt werden.19. The method according to claim 17, characterized in that the phase difference ΔΦ values using geometric op tic can be converted into diameter values. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Durchmesser-Werte von dem Durchmesser d berechnet werden.20. The method according to any one of claims 17 to 19, characterized characterized that the deviations of the diameter values can be calculated from the diameter d. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Abweichungen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für die Sphärizität des Teilchens liefert.21. The method according to claim 20, characterized in that a size is calculated from the deviations, the provides a measure of the sphericity of the particle. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung verworfen wird, wenn die Größe einen vor­ gebbaren Wert über- oder unterschreitet.22. The method according to claim 21, characterized in that the measurement is discarded if the size precedes it Enterable value exceeds or falls below. 23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Abweichungen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für die Oberflächenstruktur des Teilchens liefert.23. The method according to claim 20, characterized in that that a size is calculated from the deviations, the provides a measure of the surface structure of the particle. 24. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Abweichungen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für den Brechnungsindex des Teilchens liefert.24. The method according to claim 20, characterized in that that a size is calculated from the deviations, the provides a measure of the refractive index of the particle. 25. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Abweichungen eine Größe berechnet wird, die ein Maß für die Zusammensetzung des Teilchens liefert.25. The method according to claim 20, characterized in that a size is calculated from the deviations, the provides a measure of the composition of the particle. 26. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Teil­ chens anhand des Frequenzamplitudenspektrums zumindest eines der Detektor-Signale bestimmt wird.26. The method according to any one of the preceding claims, since characterized by the speed of the part chens based on the frequency amplitude spectrum at least  one of the detector signals is determined. 27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Teilchens anhand der Breite der Frequenzamplitudenverteilung im Pedestal-Bereich be­ stimmt wird.27. The method according to claim 26, characterized in that that the speed of the particle is based on the width the frequency amplitude distribution in the pedestal area is true. 28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, bei der das Frequenzamplitudenspektrum ein lokales Maximum aufweist, in einen die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmenden Meßwert umgewandelt wird.28. The method according to claim 26, characterized in that the frequency at which the frequency amplitude spectrum has a local maximum, in one the speed of the measured value determining the particle is converted. 29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzamplitudenspektrum vorab im Bereich des/­ der Maximums/Maxima interpoliert wird.29. The method according to claim 28, characterized in that that the frequency amplitude spectrum in advance in the range of the maximums / maxima are interpolated. 30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung verworfen wird, wenn die aus beiden Detektor-Signalen ermittelten Geschwindigkeiten sich um einen vorgebbaren Betrag oder mehr unterscheiden.30. The method according to any one of claims 26 to 29, characterized characterized in that the measurement is discarded when the velocities determined from both detector signals differ by a predetermined amount or more. 31. Vorrichtung zum Messen des Durchmessers eines sich durch ein Meßvolumen bewegenden Teilchens, mit
  • 1. einer Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Win­ kelspektrums ebener Lichtwellen, die sich im Meßvolumen schneiden und ein Intensitätsmuster monochromatischen polarisierten Lichts bilden,
  • 2. mindestens zwei auf das Meßvolumen ausgerichteten De­ tektor-Einrichtungen (30, 32) zur Erfassung und Detek­ tierung des an dem sich durch das Meßvolumen bewegenden Teilchen gestreuten Lichts und zur Abgabe von Signalen, und
  • 3. einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Ermittlung des Durchmessers des Teilchens, wobei die Signalverarbei­ tungseinrichtung eine Einrichtung zur Ermittlung der Frequenzamplitudenspektren der Detektor-Signale umfaßt und die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Phasendifferenzen zwischen den Detek­ torsignalen in einem vorgebbaren Frequenzbereich zu bestimmen und aus dem Verlauf der Phasendifferenz-Fre­ quenz-Kurve den Durchmesser des Teilchens zu bestimmen vermag.
31. Device for measuring the diameter of a particle moving through a measuring volume, with
  • 1. a device for generating at least one angle spectrum of plane light waves that intersect in the measurement volume and form an intensity pattern of monochromatic polarized light,
  • 2. at least two detector devices ( 30 , 32 ) aligned with the measurement volume for detecting and detecting the light scattered on the particles moving through the measurement volume and for emitting signals, and
  • 3. a signal processing device for determining the diameter of the particle, wherein the signal processing device comprises a device for determining the frequency amplitude spectra of the detector signals and the signal processing device is designed such that it determines the phase differences between the detector signals in a predeterminable frequency range and from the Course of the phase difference-frequency curve can determine the diameter of the particle.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Winkel­ spektrums ebener Wellen eine Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls und Fokussierung desselben im Meßvolu­ men umfaßt.32. Device according to claim 31, characterized in that the device for generating at least one angle spectrum of plane waves a device for generation a laser beam and focusing it in the measuring volume men includes. 33. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Winkel­ spektrums ebener Lichtwellen eine Einrichtung zur Erzeu­ gung zweier Laserstrahlen und Fokussierung derselben im Meßvolumen, wobei die fokussierten Laserstrahlen sich im Meßvolumen unter einem Schnittwinkel 6 schneiden, umfaßt.33. Apparatus according to claim 31, characterized in that the device for generating at least one angle spectrum of plane light waves comprises a device for generating two laser beams and focusing the same in the measurement volume, the focused laser beams intersecting in the measurement volume at an intersection angle 6 . 34. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Winkel­ spektrums ebener Lichtwellen eine Einrichtung zur Erzeu­ gung dreier Laserstrahlen (20, 22, 24) und Fokussierung derselben im Meßvolumen, wobei die fokussierten Laser­ strahlen (20, 22, 24) in einer Ebene liegen und sich im Meßvolumen schneiden, umfaßt.34. Apparatus according to claim 31, characterized in that the device for generating at least one angle spectrum of plane light waves, a device for generating three laser beams ( 20 , 22 , 24 ) and focusing the same in the measurement volume, the focused laser beams ( 20 , 22nd , 24 ) lie in one plane and intersect in the measurement volume. 35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des/der Laserstrahlen einen Laser mit Gaußschem Strahlpro­ fil umfaßt.35. Device according to one of claims 32 to 34, there characterized in that the means for generating of the laser beam (s) a laser with Gaussian beam pro fil includes. 36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des/der Laserstrahlen einen Laser umfaßt, der im sichtba­ ren Spektrum emittiert.36. Device according to one of claims 32 to 35, there characterized in that the means for generating the laser beam comprises a laser which is visible in the emitted spectrum. 37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des/der Laserstrahlen einen Laser umfaßt, der im nicht­ sichtbaren Spektrum emittiert.37. Device according to one of claims 32 to 35, there characterized in that the means for generating of which the laser beam comprises a laser which is not im visible spectrum emitted. 38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des/der Laserstrahlen eine Laserdiode umfaßt.38. Device according to one of claims 32 to 34, there characterized in that the means for generating of which the laser beam comprises a laser diode. 39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 38, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Winkelspektrums eine Strahlteilereinrich­ tung umfaßt.39. Device according to one of claims 33 to 38, there characterized in that the means for generating at least one angular spectrum a beam splitter device tion includes. 40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung ein Beugungsgitter (28) umfaßt.40. Apparatus according to claim 39, characterized in that the beam splitter device comprises a diffraction grating ( 28 ). 41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (28) drehbar ist. 41. Apparatus according to claim 40, characterized in that the diffraction grating ( 28 ) is rotatable. 42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 41 dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Teilchens umfaßt.42. Device according to one of claims 31 to 41 thereby characterized in that the signal processing device a device for determining the speed of the Particle.
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