DE2447328A1

DE2447328A1 - Verfahren zur bestimmung einer speziellen eigenschaft von in einem fluid suspendierten teilchen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2447328A1
Application number: DE19742447328
Authority: DE
Inventors: William Leslie Wilcock
Original assignee: Leeds and Northrup Co
Current assignee: Leeds and Northrup Co
Priority date: 1973-10-03
Filing date: 1974-10-03
Publication date: 1975-04-17
Also published as: US3873206A; IT1037083B; CA1019162A; JPS5339158B2; FR2246863B3; FR2246863A1; BR7408175D0; JPS5078393A; AU7320274A; GB1452420A

Description

Leeds & Northrup Company,
North Wales, Pennsylvania 19454, U.S.A.

Verfahren zur·Bestimmung einer speziellen Eigenschaft von in einem Fluid suspendierten Teilchen und Vorrichtung zur Durchführung, des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer speziellen Eigenschaft von in einemFluid suspendierten Teilchen durch Messen der Lichtstreuung an ihnen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Auf der Streuung von Licht beruhende Meßverfahren für eine Eigenschaft von sehr kleinen, voneinander getrennten Teilchen wurden bisher sowohl bei Feststoffteilchen als auch bei Aerosolen angewandt. Bei älteren Meßverfahren wird gewöhnlich an einer Probe die Richtungsverteilung des gestreuten Lichtes ermittelt und aus dem Ergebnis auf die entsprechende massenbezogene Korngrößenverteilung geschlossen, ausgehend von der Annahme einer bekannten Beziehung zwischen der Teilchendichte und der Teilchengröße.

Die her-kömmlichen Vorrichtungen messen die Korngröße in kurzem Abstand von den Teilchen und haben eine kurze Meßdistanz, weshalb deren Anwendung

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bei langem Meßweg zu neuen Schwierigkeiten führt, d.h. wenn der Weg, über dem die Messung vorgenommen werden soll, lang ist, wie es bei der Teilchenmessung "durch den Schornstein" der Pail ist, und wenn die Messung eine direkte Messung des Gesamtvolumens oder der Gesamtmasse ergeben soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen sich eine Eigenschaft, z.B. das Volumen von Teilchen unter Benutzung eines beleuchteten Weges messen läßt.

Die Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe hat zu einem Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung geführt, bei dem in einem ersten Arbeitsschritt der durch die Fluidprobe gehende Meßweg mit einem kollimierten oder parallelgemachten Lichtstrahl beleuchtet wird. Darauf folgt das Auffangen des von den Teilchen im interessierenden Größenbereich über dem Weg des Lichtstrahls nach vorn gestreuten Lichtes mit einem optischen Bauteil. Das aufgefangene Licht wird dann räumlich in der Weise ausgefiltert, daß der durchfallende Anteil sich in einer vorbestimmten Weise mit dem auf die Fortpflanzungsachse des Lichtstrahls bezogenen Streuungswinkel verändert. Das aufgefangene Licht, das durch das Filter durchfällt, wird dann beispielsweise mit einem Fotodetektor gemessen, um den Gesamtbetrag des durchgefallenen Lichtstroms als Maß der Eigenschaft der sich im Weg des Lichtstrahls befindenden Teilchen zu bestimmen.

Zur Durchführung des Verfahrens mißt die erfindungsgemäße Vorrichtung die spezielle Eigenschaft von in einem Fluid suspendierten Teilchen eines bestimmten Größenbereiches über einem durch eine Probe gehenden Weg, wobei die Probe für die Teilchenanhäufung im Fluid repräsentativ ist.

Ein besonders Merkmal der Vorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß das Teilchengesamtvolumen durch Lichtbeugung im beleuchteten Weg gemessen wird, wobei der Weg

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im Vergleich mit dem Durchmesser des das abgebeugte Licht auffangenden oder bündelnden Linsensystems verhältnismäßig lang ist.

Es ist ein besonderes Merkmal der Erfindung, daß die Messung mit einem einzelnen Lichtstrom proportional zum Teilchenvolumen und daher zur Teilchenmasse über einem langen Meßweg erfolgt. .

Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Größe des an einem Teilchen gestreuten Lichtstroms dem Quadrat des Teilchendurchmessers proprotional ist, während die Winkel-Intensität des in Strahlrichtung gestreuten Lichts dem Reziprokwert des Teilchendurchmessers proportional ist, so daß die Streulichtintensität im Zentrum des Bildes proportional ist der vierten Potenz des Teilchendurchmessers. Da sich die Proportionalität zwischen dem Teilchendurchmesser und dem Streulichtstrom von der vierten Potenz des Teilchendurchmessers nahe des Zentrums des Beugungsbildes zum Quadrat des Teilchendurchmessers über dem gesamten Beugungsbild hin verändert, ist eine selektive Unterdrückung des Streulichts möglich, um Proportionalität zwischen dem gemessenen Lichtstrom und einer gewünschten Funktion der Teilchen zu erlangen.

Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil auf die Bestimmung von aus sehr kleinen, voneinander getrennten Teilchen zusammengesetzten Massenanhäufungen in Schornsteinen anwendbar, wo es beispielsweise zweckmäßig sein kann, das Gesamtvolumen und daher die Gesamtmasse der mitgeführten Teilchen eines Größenbereiches beispielsweise von 2,0 bis 100 um zu messen. Das Verfahren ist' ebenfalls auf eine Vielfalt anderer Teilchenmessungen anwendbar, einschließlich der Regelung des Mahlfeinheitsgrades bei Zement, sowie zur Überwachung des Staubgehaltes von Atmungsluft und zur Verhütung von Staubexplosionen»

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mehrerer Ausführungs"beispiele mit weiteren Einzelheiten erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung des Aufbaues einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Messen von Teilchen in einem Schornstein,

Pig. 2a "bis 2d Vorderansichten von Filter-Konfigurationen nach der Erfindung,

Fig. 3a bis 3d Vorderansichten von Filter-Konfigurationen nach der Erfindung für verschiedene Teilchengrößebereiche ,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Gesamtdurchlässigkeit der in Fig. 3a bis 3d gezeigten Filter,

Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung einer Blendenanordnung, mit der sich bei verschiedenen Größenbereichen Messungen ähnlich wie mit den in Fig. 3a bis 3d gezeigten Filtern vornehmen lassen, und

Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung einer Blende, mit der sich bei einer Vielfalt von Teilchengrößebereichen selektive Messungen vornehmen lassen.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Messen des Volumens von Teilchen in einem Schornstein 10, wobei das Volumen der Teilchen eines Größenbereiches zwischen P₁ und p_n über einer Weglänge d gemessen werden soll, die im wesentlichen den Durchmesser des Schornsteins 10 darstellt. Der Schornstein weist üblicherweise einen großen Durchmesser auf, und das hier beschriebene spezielle Verfahren kann bei Durchmessern bis zu etwa 6 m als durchführbar betrachtet werden.

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In Fig. 1 ist zu erkennen, daß sich, mit einem Laser 12, der in einer Kammer 13 in einer Seitenwand des Schornsteins angeordnet ist, ein laserstrahl 14 erzeugen läßt. Der laser 12 kann beispielsweise ein Helium-Neon-Laser sein, der einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 6,328 1 aussendet. Der Laserstrahl muß notwendigerweise "breit genug sein, damit sein Durchmesser den Durchmesser des größten Teilchens übersteigt. Alternativ ist die Benutzung einer Lichtquelle möglich, die einen gut parallelgemachten oder kollimierten inkohärenten Lichtstrahl erzeugt, vorausgesetzt, daß die Spektralband "breite einen kleinen Bruchteil der nominellen Wellenlänge ausmacht und daß die Winkelverbreiterung des Lichtstrahls kleiner ist als die Winkelgröße des Beugungsbildes des größten zu messenden Teilchens.

Der Laserstrahl 14 wird auf seinem Weg auf ganzer Länge d von den im Schornstein 10 befindlichen Teilchen abgefangen, so daß das Laserstrahllicht, das an den Teilchen gestreut wird, Beugungsbilder erzeugt. Der Streuungswinkel steht in einer definierten Beziehung zur Teilchengröße. Trifft der Laserstrahl beispielsweise auf das im zu messenden Größenbereich größte Teilchen, nämlich auf das Teilchen ρ , wird der unter einem Winkel Θ zur Fortpflanzungsachse des Laser Strahls 14 abgebeugte Lichtstrom mit einem q±isehen Fokusierelement, beispielsweise mit der Sammellinse L. aufgefangen oder gebündelt und an der ersten Fläche einer Feldlinse L₂ an einem Ring mit einem Radius R fokusiert. Alle Teilchen derselben Größe rufen unabhängig von ihrer Position an der Weglänge d eine Beugung des Laserstrahls unter demselben Winkel hervor, so daß der Gesamtlichtstrom über dem auf diese Größe bezogenen Raumwinkel an der Vorderfläche der Feldlinse L₂ innerhalb desselben Radius auftrifft. Der Gesamtlichtstrom innerhalb dieses Radius ist somit proportional der Anzahl der Teilchen mit der betreffenden Größe. Dies ist in Fig. 1 mit dem Licht dargestellt, das an den Teilchen p., und p., · , die die gleiche Größe haben, gestreut wird.

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Wie in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird, trägt die,Feldlinse L₂ an ihrer Vorderfläche ein Filter, das, ausgehend vom Zentrum der Linse Lp, eine vom Radius abhängig veränderliche Durchlässigkeit für das aufgefangene Licht aufweist. Alternativ kann ein vor der Linse Lp angeordnetes gesondertes Filterelement verwendet sein. Das an der Linse Lp durchfallende Licht wird hinter der Linse an einem Detektor D fokusiert, der ein Fotodetektor sein kann und in der Lage ist, an seinen zu einem Meßgerät 22 führenden Ausgangsleitungen 20 ein zu dem an ihm auftreffenden Lichtstrom proportionales Ausgangssignal zu erzeugen.

Die Linsen L₁ und Lp können mit dem Detektor D zu einer Einheit zusammengefaßt und in einer der Höhlung 13 gegenüberliegenden Höhlung in der Schornsteinwand angeordnet sein, so daß der Laserstrahl 14 den ganzen Durchmesser des Schornsteins durchquert.

Ist die Weglänge d so gewählt, daß das kleinste Teilchen aus dem zur Volumenmessung vorgesehenen Teilchengrößebereich das Licht unter einem solchen Winkel streut, daß bei Stellung des Teilchens an dem der Linse L. abgewandten äußersten Ende des Weges d der Streuungswinkel des an dem Teilchen mit dieser Größe gestreuten Lichtes noch klein genug ist, damit das Licht an der Linse L. aufgefangen werden kann, und ist die Teilchenanhäufung so, daß Mehrfach-Streuung und Abschattung keine bedeutsamen Faktoren sind, dann soHte die Durchlässigkeit des an der Vorderfläche der Linse Lp angeordneten Filters an jedem beliebigen bestimmten Radius ■ vom Zentrum aus gesehen sich umgekehrt zum Abstand vom Zentrum der Linse L₂ verändern, so daß der an diesem Filter durchfallende Lichtanteil bei Beugungsbildern größerer Radien kleiner ist. Es hat sich herausgestellt, daß bei umgekehrt zum Radius veränderlicher Durchlässigkeit der zum Detektor D hin durchgehende Gesamtlichtstrom proportional ist zum Teilchengesamtvolumen. Auf diese Weise hat das an der Vorderfläche der Linse L₂ angeordnete Raumfilter die Eigenschaft

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Volumen in Beziehung gesetzt mit dem Durchmesser der Teilchen.

Das in Pig. 2a dargestellte Filter ist ein Raumfilter mit veränderlicher Durchlässigkeit. Es weist einen lichtundurchlässigen Zentralbereich 23 auf, dessen Durchmesser so gewählt ist, daß er ausreichend ist, um das vom beleuchtenden Laserstrahl einfallende Licht auszublenden. Die Durchlässigkeit oder der Transmissionsgrad des in Fig. 2a gezeigten Filters ist proportional zu 1/Θ, worin Θ der Streuungswinkel ist.

Da die Lichtbeugung an sphärischen Teilchen oder an regellos orientierten unregelmäßigen Teilchen im gesamten Beugungsraumwinkel symmetrisch ist, besteht die Möglichkeit, anstelle von Filtern mit veränderlicher Durchlässigkeit solche mit veränderlicher Fläche zu benutzen.

Anstelle des in Fig. 2a gezeigten Filters mit veränderlicher Durchlässigkeit läßt sich ein Raumfilter des Typs mit veränderlicher Fläche verwenden. Ein derartiges Filter ist in Fig. 2b dargestellt. Es ist in allen Bereichen lichtundurchlässig, mit Ausnahme im Bereich 26, der vollkommen lichtdurchlässig ist. Das Filter entsprechend Fig. 2b weist einen lichtundurchlässigen Zentralbereich 27 auf, der funktionsmäßig dem lichtundurchlässigen Zentralbereich 23 in Fig. 2a entspricht. Aus Gründen der Fertigungserleichterung beträgt der Filterfaktor des transparenten Bereichs 26 des in Fig. 2b gezeigten Filters maximal 1/2. Der Bereich 26 ist daher so ausgebildet, daß sein Bogenmaß für jeden beliebigen Radius abhängig ist von der Hafte des gesamten Kreisabstandes an diesem Radius als reziproke Funktion des Radius und damit des Streuungswinkels. Somit erhält man effectiv einen Transmissionsfaktor von 0,5/θ.

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Der lichtundurchlässige Zentralbereich 27 schirmt nicht nur gegen vom Laserstrahl 14 einfallendes Licht ab, sondern blendet auch den zentralen oder unter einem kleinen Winkel verlaufenden Anteil des abgebeugten Lichtes aus. Dieser Verlust des zentralen Teils der Beugungsbilder ist bei kleinen Teilchen unbedeutend, da deren Beugungsbilder einen verhältnismäßig großen Winkelmaßstab besitzen. Für zunehmend größere Teilchen wird der Winkelmaßstab des Beugungsbildes zunehmend kleiner, so daß mit zunehmender Teilchengröße ein zunehmend größerer Anteil des abgebeugten Lichtes vom lichtundurchlässigen Zentralbereich abgefangen wird. Eine teilweise Kompensation dieses Verlustes an Information von großen Teilchen wird dadurch erreicht, daß man im Raumfilter einen Bereich mit verstärkter Transmission vorsieht, der sich an den lichtundurchlässigen Zentralbereich 27 unmittelbar anschließt und diesen umgibt.

Der wirksame Filterfaktor des transparenten Bereiches des in Fig. 2a gezeigten Filters wurde mit 0,5/Θ angegeben. Diese Durchlässigkeit würde eine maximale Verstärkung um nur einen Faktor 2 zulassen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein Verstärkungsfaktor von etwa 5 von größerem Vorteil ist. Um eine ausreichende Verstärkung zu ermöglichen, kann ein Filter mit einer nominellen Transmission von 0,1/θ benutzt werden, so daß für den Verstärkungsbereich ein Transmissionsfaktor von 0,5/Θ vorgesehen werden kann. Ein derartiges Filter ist in Fig. 2c dargestellt und weist, wie die zuvor beschriebenen Filter, einen lichtundurchlässigen Zentralbereich 27 > einen Verstärkungsbereich 28 mit einem Transmissionsfaktor von 0,5/Θ und schließlich einen lichtdurchlässigen Bereich 26 auf, dessen Transmissionsfaktor 0,1/Θ beträgt.

Es sei nochmals auf Fig. 1 verwiesen. Wenn die Weglänge d so gewählt ist, daß etwas von dem Licht, das von den weiter entfernten kleineren Teilchen aus dem zu messenden Teilchengrößebereich gestreut wird, außerhalb des von der Linse L₁

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aufgefangenen Bereiches fällt, dann ist eine Kompensation dieses LichtStromverlustes durch Verstärkung des Lichtanteils notwendig, der an den äußeren Filterbereichen durchfällt, damit' das von einem nahegelegenen kleinen Teilchen aufgefangene. Streulicht wirkungsvoll dazu "benutzt werden kann, den Verlust des von einem entfernten Teilchen derselben Größe gestreuten Lichtes auszugleichen. Es wurde darauf hingewiesen, daß durch Anwendung eines konstanten statt eines veränderlichen Filterfaktors eine angemessene Verstärkung erreicht werden sollte, beispielsweise mit einem Filterfaktor Κ/Θ, worin K eine Konstante ist wie z.B. der Wert 0,1 bei dem in Fig. 2c gezeigten Filter.

Fig. 2d zeigt als Abwandlung des in Fig. 2c dargestellten Filters eine Raumfiltermaske, mit der sich die erwähnte Kompensation im Zusammenhang mit entfernten kleinen Teilchen erreichen läßt. Das Filter entsprechend Fig. 2d waist einen lichtundurchlässigen Zentralbereich 27 ähnlich dem bei den zuvor beschriebenen Filtern und einen Bereich 28 auf, dessen verstärkte Transmission ähnlich der im Zusammenhang mit Fig. 2c beschriebenen ist. Der lichtdurchlässige Bereich 26 zwischen dem Verstärkungsbereich 28 und der Knickstelle 30, über die hinaus weitere Verstärkung erforderlich ist, liefert, in ähnlicher Weise, dieselbe reziproke Beziehung wie zuvor beschrieben, nämlich Κ/θ.

Der Bereich 26 ermöglicht ein Ausfiltern des aufgefangenen Lichtes mit der Transmission Κ/θ nur bis zu dem Streuungswinkel, innerhalb dessen von jedem beliebigen Punkt an der gesamten Weglänge d Licht aufgefangen wird Jenseits der Knickstelle 30 läßt ein Bereich 32 das aufgefangene Licht durch, das mit einem größeren Winkel als dem Winkel gestreut wurde, bei dem noch von Punkten an der gesamten Weglänge d Licht aufgefangen werden kann. Im Bereich 32 ist der Filterfaktor eine Konstante statt eine zu Θ reziprok Veränderliche, wodurch das Filter eine verstärkte

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Durchlässigkeit für Streulicht mit großen Streuungswinkeln aufweist, um durch die Sammellinse L₁ (Fig. 1) hervorgerufene Vignettierung von in entfernten Punkten am Weg d unter großem Winkel gestreutem Licht zu kompensieren.

Bei Benutzung eines Raumfilters mit zusammengesetztem Filterfaktor, wie z.B. des in Fig. 2d gezeigten Filters, ist der Betrag des am Filter durchfallenden gestreuten Lichtstromes repräsentativ für das Gesamtvolumen der Teilchen innerhalb des zu messenden Größenbereiches, obgleich Anteile des an entfernten kleinen Teilchen gestreuten Lichtstromes infolge Vignettierung durch die Sammellinse L-, verlorengehen und Anteile des an allen Teilchen gestreuten Lichtströmes in der Messung nicht erfaßbar sind, da sie vom lichtundurchlässigen Zentralbereich der Maske abgefangen werden, vorausgesetzt daß über der gesamten Weglänge die Teilchengrößenverteilung und die Teilchenkonzentration im wesentlichen' konstant sind.

Im Vorstehenden wurde beschrieben, wie sich für den größtmöglichen Teilchengrößebereich gleichmäßige Proportionalität zwischen dem durchfallenden Lichtstrom und dem Teilchenvolumen erreichen läßt. Bei anderen Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, das Teilchenvolumen und damit die Teilchenmasse innerhalb eines eingeschränkten Teilchengrößebereiches oder innerhalb mehrerer G-rößenbereiche zu messen. Die Raumfilter in erfindungsgemäßer Ausbildung lassen sich so gestalten, daß sie die Instrumentenempfindlichkeit auf ausgewählte enge Teilchengrößebereiche beschränken.

Wie in den Fig. 2b ähnlichen Fig. 3a bis 3d dargestellt, läßt sich der interessierende Teilchengrößebereich auf einfache Weise dadurch einengen, daß der lichtdurchlässige Bereich 26 eines Filters durch Lichtundurchlässigmachen des äußeren Teils, an dem nur Streulicht von kleinen Teilchen durchfällt, in der Fläche verkleinert ist. Das in

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Fig. 3a gezeigte Filter läßt sich, wie in Fig. 4 dargestellt, zum Messen von Teilchen in einem Bereich von 1 bis 100 um verwenden, während das Filter entsprechend Fig. 3 b in einem Bereich von 2 "bis 100 um wirksam ist. Die Filter entsprechend Fig. 3 c und 3d sind anwendbar zum Messen der Teilchen im Bereich von 5 bis 100 um bzw. 10 bis 100 um. In ähnlicher Weise läßt sich eine selektive Empfindlichkeit für kleinere Teilchen durch Vergrößern des Durchmessers der lichtundurchlässigen Zentralbereiche 27 bei den Filtern entsprechend Fig. 2a bis 2d erreichen. Während sich einzelne Filter wie z.B. die in Fig. 3a bis 3d gezeigten je nach Bedarf in der in Fig. 1 dargestellten Anordnung bzw. Vorrichtung an der Vorderfläche der Linse L₂ oder als gesondertes Filter mit Anordnung vor der Linse Lp verwenden lassen, läßt sich eine Vorrichtung wie in Fig. 5 dargestellt dazu benutzen, alle Filtermaskenformen, wie sie in Fig. 3a bis 3d dargestellt sind, zu erreichen. Bei der Vorrichtung entsprechend Fig. 5 ist eine Filtermaske 40 mit der in Fig. 2b gezeigten Gestalt verwendet. Über dieser Filtermaske ist eine Blende 42 angeordnet mit einer Aussparung 44, die mit verschiedenen Radien A, B, C und D ausgeführt ist, welche bei Drehen der Blende 42 um den Mittelpunkt 48 entsprechende äußere Teile des lichtdurchlässigen Bereiches 26 abdecken, um, wie im Zusammenhang mit Fig. 3a bis 3d. beschrieben^ den Größenbereich je nach Bedarf einzuengen.

Eine andere Vorrichtung zur selektiven Einengung des Teilchengrößebereiches zeigt Fig. 6, bei der durch Drehen einer Y/ählscheibe 50 das zu verwendende Teilflächenfilter so verstellbar ist, daß sich der entsprechende lichtdurchlässige Bereich vor der Linse Lp befindet, um eine Messung im gewünschten Größenbereich zu ermöglichen. So kann beispielsweise der lichtdurchlässige Bereich 26 den gleichen Bereich darstellen, wie mit demselben Bezugszeichen in den übrigen Figuren der Zeichnung bezeichnet, während der lichtdurchlässige Bereich 26a dazu benutzt würde, den von größeren

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Teilchen gestreuten Lichtstrom zu beschneiden, so daß nur die kleineren Teilchen in die Messung einbezogen wären. Andererseits sind die lichtdurchlässigen Bereiche 26b bis 26f bestimmt zum Messen in einem Teilchengrößebereich, der zwischen den Extremen liegt, in denen sich mit dem Bereich 26 messen läßt, und sie können, je nach Anwendungsfall, in besonderer Weise ausgeführt sein, damit die Teilchengrößen gemessen werden können, die von besonderem Interesse sind.

Bei einigen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Regelung des Mahlfeinheitsgrades von Zement, ist es zweckmäßig, Information nur von Teilchen zu erhalten, die über und unter bestimmten Größen liegen. In derartigen Anwendungsfällen ist es möglich, zwei Filtermasken-Konfigurationen, wie z.B. in Fig. 3a und 3b gezeigt, zu verwenden, die Nachweisempfindlichkeits-Kurven ergeben, wie sie beispielsweise die Kurven A und B in Fig. 4 darstellen. Dies läßt sich in sehr einfacher Weise durch Verwendung der Blendenvorrichtung entsprechend Fig. 5 erreichen. Die Blende wird so eingestellt, daß die Radien A und B zur Benutzung kommen, so daß die Messungen des gesamten abgebeugten Lichtstromes verglichen werden und dem durch die Kurven A und B dargestellen Unterschied in der Nachweisempfindlichkeit entsprechen. Die Vorrichtung entsprechend Fig. 6 erfüllt eine ähnliche Funktion, ohne die Benutzung der Hilfsblende entsprechend Fig. 5 zu erfordern. In Verbindung mit der Vorrichtung gemäß Fig. 6 könnten auch alle Masken benutzt werden, und die Wähl- oder Abdeckscheibe 50 könnte schrittweise in ihre sieben verschiedenen Stellungen geschaltet werden, um nicht nur ein Signal für den Gesamtbereich, sondern auch Signale für die sechs kleineren Bereiche zu liefern, die dann je nach Bedarf verglichen werden könnten, um die für die interessierenden Teilchenmessungen benötigte Information zu erhalten.

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Es leuchtet ein, daß bei Vorrichtungen, wie z.B. bei der in Fig. 1 gezeigten, die zum Messen des Teilchenvolumens und/ oder der Teilehenmasse in einem Schornstein 10 benutzt werden, bestimmte Maßnahmen getroffen sein müssen, um sowohl die Vorderfläche der Linse L₁ sauber zu halten als auch Intensitätsschwankungen im Laserstrahl und etwaige mögliche Niederschläge an der Vorderfläche der Linse L₁ zu berücksichtigen. Durch getrenntes Zuführen von Luft über der Vorderfläche der Linse L₁ läßt sich diese beispielsweise verhältnismäßig sauber halten. Auch der beim gezeigten Beispiel in seiner Aufnahmehöhlung 13 angeordnete Laser muß sauber gehalten und gegen Teilchen im Schornstein 10 abgeschirmt v/erden. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man in die Laser-Aufnahmehöhlung saubere Luft einleitet, die man über die Öffnung, durch die der Laser die Teilchen im Schornstein beleuchtet, in den Schornstein abziehen läßt.

Es ist auch zweckmäßig, einen Bezugsstrahl zu benutzen, der sich durch Ausnutzung eines Teils der Laserenergie, beispielsweise mit Hilfe von Strahlteilerspiegeln erzeugen läßt und der durch die Linse L₁ zum Detektor D gesandt wird. Durch abwechselndes Beobachten des BezugsStrahles und des abgebeugten G-esamtlichtströmes läßt sich aus einem Verhältnis zwischen den beiden eine Ablesung bzw. Anzeige oder eine Messung bilden, die von Änderungen der Beleuchtungsstärke des Lasers 12 ebenso wie infolge Niederschlagbildung an der Fläche der Linse L₁, die trotz getroffener einschlägiger Vorsichtsmaßnahmen eintreten kann, unbeeinflußt ist.

Es leuchtet ein, daß sich von in einem Fluid suspendierten Teilchen andere spezielle Eigenschaften als ihr Volumen durch Abwandeln des vorbeschriebenen Verfahrens bestimmen lassen. Die zwischen dem Gesamtlichstrom und dem Teilchendurchmesser bestehende Beziehung dritter Potenz zum Bestimmen des Volumens der Teilchen läßt sich so variieren, daß sich andere Beziehungen ergeben, die zur Bestimmung anderer Merkmale suspendierter Teilchen zweckmäßig sein können.

/Ansprüche 509816/1088

Claims

1A-45 440 ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Bestimmung einer speziellen Eigenschaft von in einem Fluid suspendierten Teilchen, gekennzeichnet durch die folgenden Arbeitsschritte:

- Beleuchten einer Probe des Fluides mit einem kollimierten Lichtstrahl,

- Auffangen von an den im Lichtstrahl liegenden suspendierten Teilchen nach vorn gestreutem Licht mit einem optischen FokussLerelement,

- räumliches Ausfiltern des aufgefangenen Lichtes in der Weise, daß der beim Ausfiltern durchfallende Anteil des Lichtes sich in einer vorbestimmten Weise mit dem Streuungswinkel verändert, damit die spezielle Eigenschaft mit dem Durchmesser der Teilchen in Beziehung gesetzt werden kann,

- und Messen des Betrages des durchfallenden Gesamtlichtstromes als Maß für die genannte Eigenschaft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spezielle Eigenschaft das Volumen der Teilchen ist, wobei der beim Ausfiltern durchfallende Lichtanteil sich umgekehrt zum Streuungswinkel verändert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen gleiche Dichte haben, und daß die spezielle Eigenschaft das Gewicht der Teilchen ist, wobei der beim Ausfiltern durchfallende Lichtanteil sich umgekehrt zum Streuungswinkel verändert.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 3> dadurch gek ennze ichne t, daß. der kollimierte Lichtstrahl ein Laserstrahl ist, und daß das optische Fokusierelement eine Linse ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, zum Messen des Gesamtvolumens von in einem Gas mitgeführten Teilchen eines "bestimmten Größenbereiches in einem Weg durch ein Probevolumen, in dem sich Teilchen dieses Größenbereiches in gleichmäßiger Verteilung befinden, wobei der Weg mit einem Laserstrahl beleuchtet wird, gekennzeichnet durch die folgend\n Arbeitssehritte:

- Auffangen des gesamten von den Teilchen (p-ρ..ρ.^) im Weg (d) nach vorn gestreuten Lichtes mit dem optischen Fokusierelement (L-] ),

- Ausblenden des vom Strahl (14) einfallenden Lichtes,

- Ausfiltern des Lichtes, das innerhalb des Streuungswinkels der kleinsten Teilchen (p.j)auf der ganzen Weglänge (d) aufgefangen wird, in der Weise, daß der durchfallende Anteil des aufgefangenen Lichtes sich umgekehrt zum . Streuungswinkel verändert,

- und Messen des Betrages des durchfallenden Gesamtliehtstromes als Maß des Gesamtvolumens der aif der ganzen Weglänge (d) vorhandenen Teilchen (p....ρ ).

6. Verfahren nach Anspruch 5 > gekennzeichnet durch die folgenden Arbeitsschritte:

- Ausblenden des Lichtetromes, der innerhalb eines kleinen Streuungswinkels aufgefangen wird und einen Zentralbereich (27) bildet, damit das vom Strahl (14) einfallende Licht nicht durchfällt,

- Ausfiltern des Lichtes, das in einem äußeren Bereich innerhalb des Streuungswinkels der kleinsten Teilchen (P₁) auf der ganzen Weglänge (d) aufgefangen wird, in der Weise, daß der durchfallende Anteil des aufgefangenen Lichtes sich umgekehrt zum Streuungswinkel verändert,

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- Ausfiltern des Lichtes, das in einem zwischen dem äußeren und dem zentralen Bereich festgelegten Bereich aufgefangen wird, in der Weise, daß von dem in diesem Bereich aufgefangenen Licht ein Anteil durchfällt, dessen Betrag gegenüber dem Licht, das bei umgekehrtem Verhältnis zum Streuungswinkel durchfallen würde, um einen Paktor größer ist, mit dem sich das durch den Zentralbereich (27) ausgeblendete abgebeugte Licht kompensieren läßt,

- und Messen des Betrages des in den genannten Bereichen durchfallenden Gesamtlichtstroms als Maß des Gesamtvolumens der auf der ganzen Weglänge (d) vorhandenen Teilchen (P₁·--P_n)-

7. Verfahren nach Anspruch 4, zum Messen des Gesamtvolumens von in einem Gas mitgeführten Teilchen eines bestimmten Größenbereiches in einem Weg durch ein Probevolumen, in dem sich Teilchen dieses Größenbereiches in gleichmäßiger Verteilung befinden, gekennzeichnet durch die folgenden Arbeitsschritte:

- Auffangen des gesamten Lichtes, das in nur einem Teil des Weges (d) von Teilchen nach vorn gestreut wird, und Auffangen von weniger als dem gesamten im übrigen Teil des Weges (d) von den kleineren Teilchen (p.,) nach vorn gestreuten Licht, jeweils mit dem optischen Pokusierelement (L₁),

- Ausblenden eines Zentralbereiches, damit das vom Strahl (14) einfallende Licht nicht durchfällt,

- Ausfiltern des Lichtes, das in einem äußersten Bereich der Streuungswinkel aufgefangen y/ird, die den maximalen Streuungswinkel von durch Teilchen abgebeugtem und auf der ganzen Weglänge (d) aufgefangenem Licht übersteigen, in der Weise, daß der durchfallende Anteil des aufgefangenen Lichtes für jene Streuungswinkel konstant ist,

- Ausfiltern dep Lichtes, das in einem äußeren Bereich innerhalb des Streuungswinkels der kleinsten Teilchen (p..) auf der ganzen Weglänge (d) aufgefangen wird, in der Weise,

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daß der durchfallende Anteil des aufgefangenen Lichtes sich umgekehrt zum Streuungswinkel verändert,

- und Messen des Betrages des in diesen Bereichen durchfallenden Gesamtlichtstromes als Maß des Gesamtvolumens der auf der ganzen Weglänge (d) vorhandenen Teilchen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgenden Arbeitsschritte:

- Ausfiltern des Lichtes, das in einem zwischen dem äußeren und dem zentralen Bereich festgelegten Bereich aufgefangen wird, in der Weise, daß von dem in diesem Bereich aufgefangenen Licht ein Anteil durchfällt, dessen Betrag gegenüber dem Licht, das bei umgekehrtem Verhältnis zum Streuungswinkel durchfallen würde, um einen Faktor größer ist, mit dem sich das durch den Zentralbereich ausgeblendete abgebeugte Licht kompensieren läßt,

- und Messen des Betrages des in allen diesen Bereichen durchfallenden Gesamtlichtstromes als Maß des Gesamtvolumens der auf der ganzen Weglänge (d) vorhandenen Teilchen.

9. Verfahren nach Anspruch 4, zum Messen der Gesamtmasse von in einem Gas mitgeführten Teilchen eines bestimmten Größenbereiches in einem Weg durch ein Probevolumen, in dem sich Teilchen dieses Größenbereiches von gleicher Dichte in gleichmäßiger Verteilung befinden, gekennzeichnet durch die folgenden Arbeitsschritte:

- Auffangen des gesamten Lichtes, das in nur einem Teil des Weges (d) von Teilchen nach vorn gestreut wird, und Auffangen von weniger als dem gesamten im übrigen Teil des Weges (d) von den kleineren Teilchen nach vorn gestreuten Licht, jeweils mit einem optischen Fokusierelement (L^),

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- Ausfiltern des Lichtes, das in einem äußersten Bereich der Streuungswinkel aufgefangen wird, die den maximalen Streuungswinkel von durch Teilchen abgebeugtem und auf der ganzen Weglänge (d) aufgefangenem Licht übersteigen, in der Weise, daß der durchfallende Anteil des aufgefangenen Lichtes für gene Streuungswinkel konstant ist,

- Ausfiltern des Lichtes, das in einem äußeren Bereich innerhalb des Streuungswinkels der kleinsten Teilchen (p,,) auf der ganzen Weglänge (d) aufgefangen wird, in der Weise, daß der durchfallende Anteil des aufgefangenen Lichtes sich umgekehrt zum Streuungswinkel verändert,

- und Messen des Betrages des in diesen Bereichen durchfallenden Gesamtlichtstromes als Maß der Gesamtmasse der auf der ganzen Weglänge (d) vorhandenen Teilchen.

10. Verfahren nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch die folgenden Arbeitsschritte:

- Ausfiltern des Lichtes, das in einem zwischen dem äußeren und dem zentralen Bereich festgelegten Bereich aufgefangen wird, in der Weise, daß von dem in diesem Bereich aufgefangenen Licht ein Anteil durchfällt, dessen Betrag gegenüber dem Licht, das bei umgekehrtem Verhältnis zum Streuungswinkel durchfallen würde, um einen Paktor größer ist, mit dem sich das durch den Zentralbereich ausgeblendete abgebeug.te Licht kompensieren läßt,

- und Messen des Betrages des in allen diesen Bereichen durchfallenden Gesamtlichtstromes als Maß der Gesamtmasse der auf der ganzen Weglänge (d) vorhandenen Teilchen.

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11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1G_x'zur Aussendung eines feinen Parallel-Lichtbündels^mit einer Laser-Lichtquelle^ auf einer Seite einer Meßstrecke für suspendierte Teilchen und einem zum Lichtbündel koaxialen lichtempfindlichen Detektor mit vorgeschalteter Abbildungsoptik hinter der Meßstrecke, g e k e η η ζ e i c h η et durch ein Filter mit veränderlicher Durchlässigkeit auf der hinteren Linse (L~) der Abbildungsoptik, wobei die Duchlässigkeit mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt bzw. der Lichtbündelachse abnimmt (Fig. 2a).

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10<^zur Ausendung eines feinen Parallel-Lichtbündels>mit einer Laser-Lichtquelle auf einer Seite einer Meßstrecke für suspendierte Teilchen und einem zum Lichtbündel koaxialen lichtempfindlichenDetektor mit vorgeschalteter Abbildungsoptik hinter der Meß-strecke, gekennzeichnet durch ein rundes undurchlässiges

Filter auf der hinteren Linse (L„) der Abbildungsoptik mit einem radialen durchlässigen Schlitz (26) (Fig. 2b - 2d) oder einer eine radial und in Umfangsrichtung begrenzten Erstreckung aufweisenden Durchbrechung (Fig. 3a - 3d).

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L e e r s e i t e