DE3517099A1

DE3517099A1 - Vorrichtung zum messen der granulometrischen merkmale teilchengroesse und -form

Info

Publication number: DE3517099A1
Application number: DE19853517099
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. DDR 8051 Dresden Stintz
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1985-05-11
Filing date: 1985-05-11
Publication date: 1986-11-13

Description

Vorrichtung zum Messen der granulometrischen Merkmale Teilchen-
größe und -form Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der granulometrischen Merkmale Teilchengröße und Teilchenform von Einzelteilchen (Körner, Tropfen, Blasen), die in einer Flüssigkeit oder in einem Gasstrom verteilt sind, nach dem Prinzip der relativen Extinktionsmessung.
Granulometrische Verteilungsmeßmethoden dienen der Bestimmung der mengenmäßigen Verteilung einer vom physikalischen Meßprinzip abhängigen Dispersitätsgröße, die oft einer eindimensionalen Teilchengröße zugeordnet wird. Bei den unmittelbaren Zahlmethoden wird jedes Einzelteilchen bezüglich der von ihm verursachten Störung eines elektromagnetischen oder elektrischen Feldes bewertet und gezählt.
Das Meßprinzip der elektrischen Widerstandsänderung liefert primär vom Teilchenvolumen abhängige Signale (DE-OS 22 01 894 DE-AS 25 39 864, 21 20 342, 16 73 279) während das Prinzip der Lichtblokade bis hin zur relativen Extinktionsmessung von den Teilchenprojektionsflachen abhangige Signale liefert (DE-OS 23 44 427, 24 05 636).
Die Porderung nach einem möglichst breitem Meßbereich, d. h.
einem möglichst großem Verhältnis der mit einer Messung erfaßbaren maximalen zur minimalen Teilchengröße, läßt zeilenförmige Sensoren zur Gewinnung eines längenabhängigen Signals besonders geeignet erscheinen. Der Einsatz einer Zeile von Fotodioden (z. B. einer CCD-Zeile) scheitert jedoch an der zu geringen Auslesetaktfrequenz, die keine ausreichende Genauigkeit bei der Amplitudenbestimmung des stochastisch anfallenden Meßsignals eines vorbeiströmenden Teilchens zuläßt. Außerdem nimmt der relative Meßfehler im unteren Meßbereich unvertretbar hohe Werte infolge des vom Diodenraster bedingten konstanten absoluten Meßfehlers an.
Die automatische Bildverarbeitung als am meisten verbreitete Methode der Teilchenformbewertung erfaßt wenige Einzelteilchen durch eine Vielzahl von Parametern. Ungelöst sind bisher die Probleme der Probenvorbereitung sowie der statistischen Repräsentanz infolge des zu geringen 1?:robenumfangs. Eine Voraussetzung für alternative Meßprinzipe ist auch hier die Gewinnung von eindimensionalen Größen abhangiger Signale.
Ziel der Erfindung ist es, die granulometrischen Merkmale Teilchengröße und Teilchenform von Einzelteilchen zu messen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Meßbereich einer Vorrichtung nach dem Prinzip der relativen Estinktionsmessung zu erweitern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung mit einer Durchflußmeßzelle, deren Querschnitt nicht wesentlich großer als das größte zu messende Teilchen ist, und einer Einrichtung zur Erzeugung eines parallelen lichtbündels sowie einer Fotodiode auf der Eintrittsseite des Strahlbündels in die Durchflußmeßzelle eine Schlitzblende und eine die Länge des Schlitzes begrenzende Blende angeordnet sind und der Meßzelle eine Einrichtung zur Messung der maximalen Lichtschwächung durch Einzelteilchen nachgeschaltet ist.
Vorzugsweise sind die Breite des Schlitzes klein gegenüber dem größten Teilchen im Meßbereich und der Querschnitt des Strömungskanals rechteckig.
Die erfindungsgemäße Anordnung bietet sowohl den Vorteil einer Meßbereichsvergrößerung durch die Sehnenlängenmessung großer Teilchen als auch den Vorteil eines geringen relativen Fehlers der berechneten Teilchengröße bei kleinen Teilchen durch Proåektionsflächenmessung Darüberhinaus wird trotz des zur Vermeidung von Teilchenkoinzidenzen bei hohen Konzentrationen erforderlichen geringen Meßvolumens der gesamte Strömungsquerschnitt erfaßt und damit die gleichzeitige Konzentrationsmessung der dispersen Phase möglich.
Bei einer Ausführung ist die Fotodiode unmittelbar hinter der Meßzelle auf die Schlitzblende positioniert.
Bei einer anderen Variante sind hinter und seitlich von der Meßzelle zwei den austretenden Strahl um 900 um- und erneut durch die Meßzelle lenkende Spiegel vorhanden. Auf dem seitlichen Eintrittsfenster ist ebenfalls eine Blende befestigt.
Eine andere Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Spiegel hinter der Meßzelle (in Richtung des Haupt strahls gesehen) ein Teilerwürfel eingesetzt und ihm ebenfalls eine Fotodiode nachgeordnet ist. Ihr Signal ist zusammen mit dem der ersten Fotodiode, die den seitlichen Lichtstrahl mißt, auf den Eingang eines Differenzverstarkers gelegt.
Eine Ausführung mit zwei Fotodioden kann auch dadurch realisiert werden, daß vor der Meßzelle ein Teilerwürfel, zwei Spiegel und Linsen angeordnet sind.
Eine besondere Ausführung ergibt sich dadurch, daß der Meßzelle ein Prisma und wenigstens zwei Fotodioden, die an eine Quotientenschaltung angeschlossen sind, nachgeordnet sind.
Für umfangreiche Auswertungen enthält die Auswerteeinheit eine Schaltung zur Messung der Durchgangszeit eines Teilchens durch die Meßzelle.
Funktion und Vorteile der Varianten werden im Ausführungsbeispiel erläutert.
Ausführungsbeispiel In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 die Grund anordnung des optischen Sensors, Pig. 2 die Seitenansicht des scheibenförmigen Meßvolume-ns und den qualitativen Verlauf der Eichfunktion, Pig. 3 eine Sensoranordnung zur Doppelbewertung eines Teilchens aus zwei Richtungen, Fig. 4 eine Sensoranordnung zum automatischen Abgleich durch die Meßzelle hindurch bei Bewertung des Teilchens in einer Richtung, Fig. 5 die Sensoranordnung zur dreiparametrigen Teilchenformmessung, Fig. 6 die Signalerfassung des-Sensors nach Fig. 5 und Pig. 7 eine Sensoranordnung mit nachgeschaltetem Prisma.
Bei der Grund anordnung des optischen Sensors nach Fig. 1 wird aus dem weißen Licht einer Halogenlanpe 1 über eine Linse 2 und eine Schlitzblende 3 ein paralleles Strahlenbündel ausgeblendet und über eine Linse 4 die Schlitzbreite B der Blende 3 in die Meßzelle 5 abgebildet. Das benutzte Köhlersche Beleuchtungsverfahren garantiert eine gleichmäßige Intensitätsverteilung im Meßvolumen. Die seitliche Meßvolumenbegrenzung auf die Schlitzlänge erfolgt durch eine auf die Meßzelle 5 aufgeklebte Blende, die eine alleinige Ausleuchtung des gesamten Strömungsquerschnittes gewährleistet und den Schlitz auf die Länge L begrenzt. Blende 3 und Meßzelle 5 sind zusätzlich in der Draufsicht dargestellt. Durch die Verwendung ebener, Planparalleler Platten für die Meßzelle und die direkte Anordnung der Fotodiode 6 dahinter werden Streulichtanteile ausgeschlossen.
Im Bereich der geometrischen Optik wird die durch jedes Teil verursachte maximale Extinktion, bezogen auf teilchenfreies Meßvolumen, gemessen. Die Eichfunktion aus Fig. 2 folgt aus den geometrischen Verhältnissen im Meßvolumen. Ist das Teilchen kleiner als die Schlitzbreite, so wird seine Projektionsfläche gemessen; ist es wesentlich größer, dann wird seine maximale Sehnenlänge senkrecht zu Bichtstrahl- und Sehnenrichtung gemessen. Zwischen beiden Sonderfällen befindet sich ein stetiger Übergangsbereich.
Durch die Sensoranordnung gemäß Fig. 3 kann bei anisometrischen insbesondere Plättchenförmigen Teilchen auftretende Orientierungsabhängigkeit in Lichtstrahlrichtung minimiert werden. Zusätzlich wird der relative Extinktionseffekt des Einzelteilchens verdoppelt und damit die Empfindlichkeit des Sensors verbessert. Durch zwei Spiegel 7 und 8 wird das gestörte Strahlenbündel ein zweites Mal vorzugsweise rechtwinklig zur ersten Strahlrichtung auf die Meßzelle 5 umgelenkt.
Die Sensoranordnung gemäß Fig. 4 erlaubt unter Verwendung eines Teilerwürfels 9 den automatischen Dauerabgleich durch die durchströmte Meßzelle hindurch. Das Ausgangssignal des nachgeschalteten Differenzverstärkers 11 liefert den in Strahlrichtung A gemessenen Extinktionseffekt. Die Fotodiode 10 dient dem gleichzeitigen Abgleich.
Bei de-r Sensoranordnung in Pig. 5 zur Bestimmung der Teilchenform zusätzlich zur Teilchengröße wird durch den Teilerwürfel 9 ein zweites Strahlenbündel aus der Beleuchtungsanordnung gewonnen und über' den Spiegel 8 und die linse 12 vorzugsweise rechtwinklig zum ersten Strahlenbündel auf die Meßzelle 5 gerichtet.
Anisometrische Teilchen bewirken entsprechend Fig. 6 unterschiedliche Extinktionseffekte in den Richtungen A und B. Zusätzlich zu den Extinktionsamplituden liefert die Zeitdauer der Überschreitung von Triggerschwellen AT bzw. BT eine Information zur Ausdehnung des Teilchens in der dritten Dimension bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit als Voraussetzung. Durch eine nachgeschaltete elektronische Signalverarbeitungseinheit kann die dreidimensionale Verteilung der Teilchenanzahl gewonnen werden.
Wird das Meßvolumen auch in seitlicher Richtung optisch begrenzt (Strömungsquerschnitt größer als Schlitzlänge der Blenden an der Meßzelle 5), so sichert die Einhaltung der Signalfolge -AT und BT' Amplituden von A und B, AT oder 3T die Messung allein im Strahlkreuzungsvolumen, d. h. Signale, die in einer anderen Reihenfolge erscheinen, sind von der Auswertung auszuschließen.
Wird wie in Fig. 7 der Meßzelle 5 ein Prisma 13 nachgeschaltet, so können Teilchen kleiner 1 /um mit größerer Sicherheit nachgewiesen werden. Gemessen werden wenigstens zwei Spektralkomponenten hinsichtlich des Extinktionsverhaltens des Teilchens. Die Extinktion von Teilchen dieser Größenordnung ist von der Wellenlänge abhängig. In einer nachgeordneten elektronischen Rechenschaltung wird sofort der Quotient aus beiden Amplituden berechnet. Er ist ein Maß für die Teilchengröße.
Bezugszeichen 1 Lichtquelle 2 Linse 3 Schlitzblende 4 Linse 5 Meßzelle 6 Fotodiode 7 Spiegel 8 Spiegel 9 Teilerwürfel 10 Fotodiode 11 Differenzvertärker 12 Linse 13 Prisma - Leerseite -

Claims

Patentansprucht 1. Vorrichtung zum Messen der granulometrischen Merkmale Teilchengroße und -form in einer Durchflußmeßzelle, deren Querschnitt nicht wesentlich großer als das größte zu mes-ende Teilchen ist, und einer Einrichtung zur Erzeugung eines parallelen Lichtbündels sowie einer Fotodiode, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Eintrittsseite des Strahlbündels in die Durchflußmeßzelle ) eine Schlitzblende(3) und eine die Länge des Schlitzes begrenzende Blende angeordnet sind und der Meßzelle eine Einrichtung zur Messung der maximalen Lichtschwachung durch Einzelteilchen nachgeschaltet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Breite des Schlitzes klein gegenüber dem größten Teilchen im Meßbereich ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Querschnitt des Strömungskanals rechteckig ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Fotodiode unmittelbar hinter der Meßzelle auf die Schlitzblende positioniert ist.
59 Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß hinter und seitlich von der Meßzelle zwei den austretenden Strahl um 90° um- und erneut durch die Meßzelle lenkende Spiegel (7 und 8) vorhanden sind und auf dem seitlichen Eintrittsfenster der Meßzelle ebenfalls eine Blende befestigt ist,
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Spiegel hinter der Meßzelle (in Richtung des Hauptstrahls gesehen) ein Teilerwürfel (9) eingesetzt und ihm ebenfalls eine Potodiode (B) nachgeordnet ist und ihr Signal zusammen mit dem der Fotodiode (A), die den seitlichen lichtstrahl mißt, auf den Eingang eines Differenzverstärkers (11) gelegt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß vor der Meßzelle ein Teilerwürfel (9), zwei Spiegel (7 und 8) und Linsen (4 und 12) angeordnet, auf den von den sich unter 900 kreuzenden Strahlen durchstrahlten Fensterseiten der Meßzelle Blenden befestigt und zwei Fotodioden (A und B) nachgeschaltet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Meßzelle ein Prisma (13) und wenigstens zwei Fotodioden (A und B), die an eine Quotientenschaltung angeschlossen sind, nachgeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Schaltung zur Messung der Durchgangszeit eines Teilchens durch die Meßzelle vorhanden ist.