DE2014531B2

DE2014531B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von in einem Fluid suspendierten Teilchen

Info

Publication number: DE2014531B2
Application number: DE2014531A
Authority: DE
Inventors: John W. Somerset N.J. Liskowitz (V.St.A.)
Original assignee: American Standard Inc
Current assignee: Trane US Inc
Priority date: 1968-11-13
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1979-10-11
Also published as: NL7005056A; GB1305407A; DE2014531C3; AU1183670A; AU458657B2; BE747519A; US3612688A; DE2014531A1; FR2042127A5

Description

Bestrahlen des Fluids eine Lichtquelle vorgesehen ist und die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen der Lichtquelle und dem Fluid eine Einrichtung zum Erzeugen von zirkulär polarisiertem Licht vorgesehen und auf der der Lichtquelle zugekehrten Seite des Fluids eine Meßeinrichtung für den im einen Drehsinn zirkulär polarisierten Anteil des rückgestreuten Lichts angeordnet ist

Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung sind in Unteransprüchen beansprucht

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, in denen die Fig. 1-4 schematische Darstellungen von verschiedenen Ausführungsformen von Vorrichtungen nach der Erfindung zeigen.

Wie F i g. 1 zeigt ist zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels eine Lichtquelle 10 vorgesehen. Je nach der gewünschten Wellenlänge kann als Lichtquelle 10 eine Quecksilberlampe, eine Wolframlampe oder eine Xenonlampe verwendet werden. Falls mit monochromatischem Licht gearbeitet werden soll, kann eine monochromatisches Licht liefernde Lichtquelle verwendet werden oder aber auch aus dem von der Lichtquelle 10 gelieferten polychromatischen Licht mit Hilfe eines Filters 12 ein monochromatisches Lichtstrahlenbündel ausgefiltert werden.

Der Filter 12 kann an irgendeiner Stelle zwischen der Lichtquelle 10 und einem Detektor 26 angeordnet werden, mit dem die Intensität des Lichts erfaßt wird, das von der dispers verteilte Teilchen enthaltenden Piobe 18 rückgestreut wird. Bei einer jeweils zwei Analysatoren und Detektoren enthaltenden Vorrichtung wird der Filter zweckmäßigerweise zwischen Lichtquelle und Probe angeordnet, da sonst zwei Filter erforderlich wären, die bei ungleichmäßiger Lichtdurchlässigkeit Meßfehler verursachen könnten.

Vorzugsweise verwendet man zur Bestrahlung der Probe 18 ein monochromatisches Lichtstrahlenbündel, man kann jedoch auch ein polychromatisches Lichtstrahlenbündel verwenden. Falls ein Lichtstrahlenbündel mit verschiedenen Wellenlängen verwendet wird, sollte die maximale Wellenlänge mit dem Durchmesser der in der Probe dispers verteilten Teilchen vergleichbar sein, damit möglichst genaue Meßwerte erzielt werden.

Das von der Lichtquelle 10 gelieferte Licht wird mit einem herkömmlichen Polarisationsfilter 14 linear polarisiert. Das linear polarisierte Licht wird mit Hilfe einer Lambda-Viertelplatte in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt. Mit dem beispielsweise in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise rechts-zirkular polarisiertem Licht (RCPL) wird die Probe 18 bestrahlt. Von der Probe 18 austretendes Streulicht 20 gelangt über eine Lambda-Viertelplatte 22 zu einem Analysator 24. Die Lambda-Viertelplatte 22 weist den gleichen Drehsinn auf wie die Lambda-Viertelplatte 16 und wandelt das gestreute Licht (RCPL) in linear polarisiertes Licht (PPL) um, dessen Ebene senkrecht liegt zu der Ebene des polarisierten Lichts, das sich aus der Umwandlung des links-zirkular polarisierten Lichts zu linear polarisiertem Licht ergibt. Anstelle der Lambda-Viertelplatte 16, die links-zirkular polarisiertes Licht erzeugt, kann auch eine Lambda-Viertelplatte, die ein rechts-zirkular polarisiertes Licht erzeugt, verwendet werden. Der Analysator 24 läßt je nach Einstellung Licht durch, das in einer Ebene schwingt, die entweder parallel oder senkrecht zu der Ebene des einfallenden polarisierten Lichts 15 steht. Die Intensität des Lichts, das durch den Analysator 24 durchgeht, wird mittels eines Detektors 26 gemessen.

Wie aus Fig.2 zu ersehen ist können zwei äquivalente Meßeinrichtungen verwendet werden. Beide Meßeinrichtungen müssen auf den genau gleichen Winkel θ in bezug auf die Einfallsrichtung eingestellt werden. Der Analysator 24a kann so eingestellt werden, daß er das Licht durchläßt das senkrecht ausgerichtet ist bezüglich der Ebene des Polarisators 14 (E₁),

ίο während der Analysator 24Z> das Licht durchläßt, welches in einer Ebene ausgerichtet ist die bezüglich der Ebene vom Polarisator 14 (E\\) parallel liegt. Der Detektor 26a mißt dann den links-zirkular polarisierten Anteil des Streulichts 20, während der Detektor 26Z>den rechts-zirkular polarisierten Anteil erfaßt Der Detektor 26a liefert also einen Meßwert, der proportional ist zur Summe der Intensität E_p des aus Primärstreuung, d. h. aus einer Streuung nur an jeweils einem einzigen Teilchen resultierenden Streulichts, das entgegengesetzt zum einfallenden Lichtstrahl zirkularpolarisiert ist, und der Hälfte der Intensität E_n, des auf Mehrfachstreuung zurückzuführenden Streulichts. Bei der Mehrfachstreuung wird nämlich im Durchschnitt die eine Hälfte des einfallenden Lichts an einer geradzahligen Anzahl von Teilchen und die andere Hälfte an einer ungeradzahligen Anzahl von Teilchen gestreut.
Es gelten also folgende Beziehungen:

E κ =

E_p + E

_ml2

E₁ = E_p + E_m.

j5 Um das Verhältnis der Mehrfachstreuung zu der Primärstreuung auf ein Höchstmaß zu bringen, ist es von Vorteil, den Winkel θ so groß wie möglich zu machen, der nicht kleiner sein soll als 90°.

Da die Unterschiede zwischen dem Winkel Θ_:, und öj, zu Fehlern führen können, ist der Analysator 24 bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform drehbar. Dabei ist ein gleichzeitiges Messen von Εχ und E\\ nicht möglich. Dazu kann eine Vorrichtung 21 zum Teilen des Strahles, wie in F i g. 3 dargestellt, verwendet werden.

Es kann auch eine Vorrichtung wie beispielsweise ein Quarzkristall verwendet werden, der das Licht dreht. Die Vorrichtung zum Drehen des Lichtes kann zwischen dem Analysator 24 und der Lambda-Viertelplatte 22 eingesetzt werden. Dadurch wird eine Drehung des von der Lambda-Viertelplatte 22 austretenden Lichts erreicht. Wird die Vorrichtung entfernt, dann kann das Licht von der Lainbda-Viertelplatte 22 direkt zum Analysator gelangen. Im ersteren Falle ist die Lichtebene parallel zu der Ebene des Analysators 24, und das Licht wird nicht durch den Analysator 24 durchgelassen aufgrund der durch die Vorrichtung zur Drehung des Lichtes herbeigeführten Drehung. Wenn diese Vorrichtung zwischen der Lambda-Viertelplatte und dem Analysator 24 entfernt ist, wird verhindert, daß

bo das Licht, dessen Ebene senkrecht ist zur Ebene des Analysators 24, durch den Analysator 24 durchgeht. Die gesamte Streustrahlung Et wird gemessen, indem der Analysator entfernt wird, so daß dann der Detektor E[ uno £|| gleichzeitig erfaßt.

Beispiel

Es wurde eine Vorrichtung wie in Fig. 1 dargestellt verwendet. Es wurde eine Flüssigkeit mit darin

suspendierten Festteilchen benutzt. Der Winkel Θ wurde auf 150° eingestellt. Die Bestimmung von E₁ wurde durchgeführt, indem der Analysator so eingestellt wurde, daß seine optische Achse senkrecht war zur optischen Achse des Polarisators im einfallenden Strahl. Auf diese Weise wurde die Intensität des mehrfach gestreuten Lichtes bestimmt, da die Intensität des Lichtes, das den Detektor erreichte, gleich war zu der Hälfte des gesamten mehrfach gestreuten Lichts. Um Fehler zu vermeiden, die dadurch entstehen können, daß der Winkel θ unterschiedlich ist zwischen den £j_- und fy-Bestimmungen, und um keine zwei getrennten Analysatoren und Detektoren verwenden zu müssen, wurde der Analysator 24 um 90° um die Achse gedreht, die senkrecht zu seiner optischen Achse steht. Dadurch wurde seine optische Achse parallel zu der Achse des Polarisators im einfallenden Strahl.

In F i g. 4 wird eine weitere Ausführungsform gezeigt. Licht aus der Lichtquelle 10 wird mittels des Lichtfilters 12 filtriert, so daß ein monochromatisches Licht erzeugt wird, das mittels des Polarisator 14 in ein linearpolarisiertes Licht umgewandelt wird (PPL). Dann wird mittels einer Lambda-Viertelplatte 16 rechtszirkular polarisiertes Licht erzeugt. Mit dem rechtszirkular polarisierten Licht wird dann durch das Medium 18 bestrahlt. Das mehrfach gestreute Licht besteht in gleichem Maße aus rechtszirkular polarisiertem Licht (RCPL) und linkszirkuiar-polarisiertem Licht (LCPL). Dies ist der Fall, ganz gleich, ob das ücht aus der Lambda-Viertelplatte 16 rechts- oder linkszirkular polarisiert ist. Das primär gesteuerte Licht wird von RCPL zu LCPL umgewandelt. Die Lambda-Viertelplatte 22 wandelt sowohl das RCPL als auch das LCPL in linearpolarisiertes Licht um. Das rechtszirkular polarisierte Licht, das in linearpolarisiertes Licht umgewandelt wird, wird als PPL_R(m_SL) bezeichnet und das linkszirkular polarisierte Licht, das sich aus der Mehrfachstreuung ergibt und in planpolarisiertes Licht umgewandelt wird, wird als PPLi^msl) bezeichnet. Das linkszirkular polarisierte Licht, das aus der primären Streuung resultiert, wird in linearpolarisiertes Licht umgewandelt, das als PPL_Upsl> bezeichnet wird. Die Ebene von PPL« ist senkrecht zu der Ebene von PPLl und deshalb können zwei Analysatoren 24a und 2Ab verwendet werden, um PPLr von PPL_L zu trennen. Das Licht, das durch 246 durchgeht, wird zu dem Detektor 26b gemessen. Die Intensität des Lichtes, die vom Detektor 26ögemessen wird, entspricht einer Häifte der Intensität des Lichts, die sich aus der Mehrfachstreuung ergibt. In ähnlicher Weise ist die Intensität des Lichts, das durch den Analysator 24a durchgeht und von dem Detektor 26a erfaßt wird, gleich einer Hälfte der Intensität des mehrfachgestreuten Lichts und der Intensität des primärgestreuten Lichts. Der Unterschied zwischen den durch die Detektoren 26a und 266 festgestellten Intensitäten ist gleich der Intensität des primärgestreuten Lichts. Die Intensität des mehrfachgestreuten Lichts entspricht der doppelten vom Detektor 266erfaßten Intensität.

Wird zirkularpolarisiertes Licht verwendet, dann erhält man im Vergleich zu planpolarisiertem Licht eine verbesserte Empfindlichkeit. Zirkularpolarisiertes Licht unterliegt einer Phasenveränderung aufgrund der Streuung, während planpolarisiertes Licht depolarisiert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

ί. Verfahren zum Bestimmen von in einem Fluid suspendierten Teilchen, bei dem das Fluid mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des Fluids ein zirkulär polarisiertes Lichtstrahlenbündel verwendet wird und das vom Fluid rückgestreute licht, von dem ein von der Teilchenkonzentration abhängiger Anteil entgegengesetzt zum einfallenden Licht zirkulär polarisiert ist, analysiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Fluid unter einem Winkel von über 150° zur Einfallsrichtung rückgestreute Licht analysiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Intensität des rückgestreuten Lichts und andererseits die Intensität des im einen oder anderen Drehsinn zirkulär polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichts bemessen und durch Vergleich der beiden Intensitätsmeßwerte ein Meßwert für die Teilchenkonzentration gewonnen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Intensität des im einen Drehsinn zirkulär polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichts und andererseits die Intensität des im anderen Drehsinn zirkulär polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichts bemessen und durch Vergleich der beiden Intensitätsmeßwerte ein Meßwert für die Teilchenkonzentration gewonnen wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—4, bei der zum Bestrahlen des Fluids eine Lichtquelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (10) und dem Fluid (18) eine Einrichtung (14, 16) zum Erzeugen von zirkulär polarisiertem Licht vorgesehen und auf der der Lichtquelle zugekehrten Seite des Fluids eine Meßeinrichtung (22, 24, 26 bzw. 22a, 24a, 26a) für den im einen Drehsinn zirkulär polarisierten Anteil des rückgestreuten Lichts angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zur Meßeinrichtung (22a, 24a, 26ajeine weitere Meßeinrichtung (246,26/jbzw. 22b) für den im anderen Drehsinn zirkulär polarisierten Anteil des rückgestreuten Lichts angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung jeweils einen Analysator (24 bzw. 24a bzw. 24b) mit vorgeschalteter Lambda-Viertelplatte (22 bzw. 22a bzw. 22b) und nachgeschaltetem Lichtdetektor (26 bzw. 26a bzw. 266,/enthält.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 — 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Meßeinrichtung (22,24,26 bzw. 22a, 24a, 26a bzw. 22b, 246, 26b) nur Licht erfaßbar ist, das vom Fluid unter einem Winkel von über 150° zur Einfallsrichtung rückgestreut wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von in einem Fluid suspendierten Teilchen, bei dem bzw. der das Fluid mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel bestrahlt wird. Aus der CH-PS 4 41814 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration von Faseraufschwemmungen bekannt, bei dem die Faseraufschwemmung mit linear polarisiertem licht durchstrahlt und der Polarisationszustand des durch die Faseraufschwemmung hindurchgegangenen Lichts ermittelt wird. Dieses bekannte Verfahren beruht darauf, daß die in der Faseraufschwemmung vorhandenen Fasern optisch aktiv sind und somit bei Durchstrahlung der Faseraufschwemmung mit linear polarisiertem Licht eine von der Konzentration der Faseraufschwemmung abhängige Drehung der Polarisationsebene auftritt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen in einem Fluid suspendierte Teilchen in einfacher und zuverlässiger Weise quantitativ bestimmt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß bei Bestrahlung eines suspendierte Teilchen enthaltenden Fluids mit zirkulär polarisiertem Licht das vom Fluid rückgestreute Licht zwar ebenfalls zirkulär polarisiert ist, jedoch zum Teil einen anderen Drehsinn als das auf das Fluid einfallende zirkulär polarisierte Licht aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei Streuung von zirkulär polarisiertem Licht an einem Teilchen eine Umkehr des Drehsinns auftritt, d. h. das von einem Teilchen rückgestreute zirkulär polarisierte Licht weist gegenüber dem einfallenden zirkulär polarisiertem Licht einen entgegengesetzten Drehsinn auf. Das von einem Teilchen rückgestreute Licht kann nun ohne weitere Streuung aus dem Fluid austreten oder aber noch einmal an einem oder mehreren Teilchen gestreut werden. Das aus Mehrfachstreuung resultierende Streulicht ist in der gleichen Richtung wie das einfallende Licht zirkulär polarisiert, da bei der Mehrfachstreuung im Durchschnitt die eine Hälfte des einfallenden Lichts an einer geradzahligen Anzahl von Teilchen und die andere Hälfte an einer ungeradzahligen Anzahl von Teilchen gestreut wird. Hingegen ist das aus Primärstreuung, d. h. aus einer Streuung nur an einem einzigen Teilchen resultierende Streulicht entgegengesetzt zum einfallenden Licht Zirkular polarisiert. Die Wahrscheinlichkeit, daß das einfallende Licht mehrfach gestreut wird, ist um so größer, je höher die Teilchenkonzentration ist. Der Anteil des auf Primärstreuung zurückzuführenden Streulichts ist daher um so geringer, je höher die Konzentration ist. Durch Analyse des Rückstreulichts kann somit die Teilchenkonzentration ermittelt werden.

Aufgrund der vorstehend erläuterten Erkenntnis wird bei einem Verfahren zum Bestimmen von in einem Fluid suspendierten Teilchen, bei dem das Fluid mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel bestrahlt wird, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Bestrahlung des Fluids ein zirkulär polarisiertes Lichtstrahlenbündel

bo verwendet wird und das vom Fluid rückgestreute Licht, von dem ein von der Teilchenkonzentration abhängiger Anteil entgegengesetzt zum einfallenden Licht zirkulär polarisiert ist, analysiert wird.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann die

b5 Konzentration von in einem Fluid suspendierten Teilchen mit guter Genauigkeit ermittelt werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, bei der zum