HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Messung von Partikeln in einer Flüssigkeit, und
insbesondere auf eine Vorrichtung zur Messung von
Partikeln in einer Flüssigkeit, bei der ein
Laserstrahl in eine fließende Flüssigkeit projiziert
wird und Licht, das von den in der Flüssigkeit
vorhandenen Partikeln gestreut wird, wird ausgewertet,
um die Partikelgröße, die Anzahl von Partikeln und
andere Charakteristika der Partikel zu messen.
Beschreibung des Standes der Technik
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Der Stand der Technik schließt Techniken ein, bei
denen Licht in eine Meßzone projiziert wird und die
Menge an durchgelassenem Licht, Streucharakteristika
u. dgl. werden gemessen, um die Größe, Zahl und
andere Charakteristika der Partikel in der Zone zu
messen.
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Wenn z. B. diese Technik angewandt wird, um
Partikelverunreinigungen in reinem Wasser zu
überwachen, sind die Partikel schwer zu überwachen, da
derartige Partikel in reinem Wasser
gewöhnlicherweise klein sind und lediglich in geringen
Konzentrationen vorhanden sind. Um daher die Intensität
des Lichtes zu erhöhen, das von den Partikeln
gestreut wird, wird ein einfallender Strahl von einer
Laserlichtquelle od. dgl. gewöhnlicherweise in
einer schmalen Zone zusammengezogen, wodurch eine
Meßzone von hoher Lichtintensität in der
Meßzelle geschaffen wird und dann wird das Streulicht
von Partikeln, die durch diese Zone gelangen,
erhalten (s. z. B. US-Patent Nr. 4,830,494).
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In einem Partikelmeßgerät, das Laserlicht auf
Partikel projiziert und das Licht analysiert, das von
den Partikeln gestreut wird, ist die Richtung
wichtig, aus der das von den Partikeln gestreute Licht
aufgenommen wird, wie die Form des Meßbereiches,
durch den die Partikel in der Meßzelle durchlaufen.
Da die Verteilung der Laserlichtintensität eine
Gaussche-Verteilung zeigt, verwenden herkömmliche
Geräte zur Messung von Partikeln in Flüssigkeiten
ein "90º-lateral- Licht-Aufnahmesystem" bei dem
Licht, das von den mit Laserlicht beleuchteten
Partikeln gestreut wird, in einer Richtung
aufgenommen wird, die nahezu senkrecht zu der Achse
der Projektion des Laserstrahles ist, um die
Wirksamkeit der Partikelmessung zu verbessern.
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Dieses System verwendet eine Anordnung, bei der die
Richtung der Partikelbewegung kollinear mit der
opti schen Achse einer lichtaufnehmenden Linse ist oder
bei dem die Richtung der Partikelbewegung in einer
Ebene liegt, die durch die optische Achse des Lasers
und die optische Achse der lichtaufnehmenden Linse
definiert ist und die optische Achse der
lichtaufnehmenden Linse in einem Winkel in dem Bereich
von 20 - 70º kreuzt. Schlitze sind auf der
bilderzeugenden Oberfläche der lichtaufnehmenden Linse
angeordnet, so daß gestreutes Licht von den Partikeln,
die durch Bereiche hoher Lichtintensität wandern,
selektriv erhalten werden, um eine gute Auflösung
der Partikelgröße zu erhalten.
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Um die Partikel zu zwingen, in einer spezifischen
Richtung durch die Meßzellen zu wandern, die diese
Art von System anwendet, gibt es Verfahren, bei
denen ein gemantelter Fluß verwendet wird, um einen
zylindrischen Fluß durch die Meßzone zu erhalten,
z. B. GB-A-467 886 und Verfahren, bei denen ein
Umrührer mit einer zylindrischen Wandung verwendet
wird, um einen rotierenden Fluß zu erhalten, z. B.
US-A-4,830,494.
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In dem obigen Verfahren, das den ummantelten Fluß
verwendet, wird die hohe Flußrate zu einem Problem,
die für die Schaffung des zylindrischen Flusses
verlangt wird. Das Verfahren, das den rotierenden Fluß
verwendet, hat andererseits nachteilhafterweise den
Mangel einer Verifizierungsmöglichkeit, daß die
Flüssigkeit in dem zylindrischen Abschnitt in
ausreichendem Maße durch die Einlaß- und Auslaßröhren
in der verwendeten Zelle mit dem zylindrischen
Abschnitt zirkuliert wird, um den rotierenden Fluß zu
schaffen, und es besteht die Möglichkeit, daß das
gleiche Partikel zum wiederholten Male durch die
Meßzone gelangt.
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Wenn Partikel dazu gezwungen werden, in einer
bestimmten Richtung durch die Meßzone zu wandern, kann
die Richtung der Partikelbewegung nicht in eine
Richtung entlang der optischen Achse der
lichtaufnehmenden Linse gebracht werden oder in eine
Richtung, die parallel zur Ebene verläuft, die durch die
optische Achse des Lasers und der optischen Achse
der lichtaufnehmenden Linse definiert ist, wenn der
Fluß der Partikel eher einen turbulenten Flußstatus
erhält als einen laminaren Flußstatus, so daß eine
gute Partikelauflösung nicht erhalten wird.
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Die JP-A-6318243 offenbart eine Vorrichtung, die
die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruches 1
enthält. Diese Vorrichtung ist dazu geschaffen,
einen einheitlichen Flug bereitzustellen, aber sie
kann nicht in befriedigendem Maße die oben
beschriebenen Probleme lösen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Daher ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese
Probleme zu lösen und eine Vorrichtung zu schaffen,
um Partikel in Flüssigkeit zu messen, die wirksam
Streulicht von Partikeln aufnehmen kann und eine
präzise Messung der Partikel durchführen kann.
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Entsprechend der Erfindung wird eine Vorrichtung zur
Messung von Partikeln in Flüssigkeit geschaffen, die
eine Meßzelle enthält, die mit einer Meßzone
ausgestattet ist, durch die Flüssigkeit gerichtet werden
kann, Mittel um einen Laserstrahl herzustellen, der
in einen Fluß von Flüssigkeit in der Meßzone
gerichtet werden kann und lichtaufnehmende Mittel, um
Licht aufzunehmen, das von Partikeln in einem Fluß
von Flüssigkeit gestreut wird, die sich durch die
Meßzone bewegen, wenn ein Laserstrahl dorthinein
gerichtet wird, und für die Messung von
Charakteristika der Partikel; wobei die
lichtaufnehmenden Mittel mit ihrer optischen Achse beinahe
senkrecht zu der Projektionsachse des Laserstrahles
angeordnet sind, um laterales Streulicht von den
Partikeln aufzunehmen, und die Meßzelle veranlaßt,
daß die Flüssigkeit, die die Partikel enthält, in
die Meßzone in einer Richtung entlang der optischen
Achse der lichtaufnehmenden Mittel fließt; dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel in der Meßzelle
vorgesehen sind, um einen laminaren Fluß in der Meßzone
auszubilden, wobei das Mittel umfaßt:
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Einen Einlaßpfad, der symmetrisch im Hinblick auf
die optische Achse des lichtaufnehmenden Mittels
angeordnet ist und der einen ersten Bereich hat, der
es der Flüssigkeit gestattet, in die Meßzelle zu
fließen, einen zweiten Bereich, der mit dem ersten
Bereich in Verbindung steht und sich im wesentlichen
parallel zu der optischen Achse des
lichtaufnehmenden Mittels erstreckt und einen Aufbau hat, der
einen zentralen Block umfaßt, der den
Flüssigkeitsfluß verhindert und einen peripheren
Flüssigkeitspfad, der es der Flüssigkeit ermöglicht zu fließen;
und einen dritten Bereich, der in Verbindung mit dem
zweiten Bereich steht und sich entlang der optischen
Achse der lichtaufnehmenden Mittel durch die Meß-
zone erstreckt.
Vorteilhafterweise umfaßt der erste Bereich
Einlaßröhren, die im Hinblick auf die optische Achse des
lichtaufnehmenden Mittels symmetrisch angeordnet
sind und wobei jede einen Bereich aufweist, um die
Flüssigkeit dazu zu veranlassen, in die Meßzelle in
einem Winkel zu zwingen, der nahezu senkrecht zu der
optischen Achse des lichtaufnehmenden Mittels ist.
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Der Durchmesser des zweiten Bereiches ist
vorteilhafterweise so gewählt, daß er gleich oder größer
als der des zylindrischen Bereiches ist und der
Durchmesser des ersten Bereiches der Einlaßröhren
ist so gesetzt, daß er kleiner als der des
dritten Bereiches ist. Die Meßzelle enthält
weiterhin einen Auslaßpfad, der in Verbindung mit dem
dritten Bereich steht, um die Flüssigkeit zu der
Außenseite abzuführen. Der Auslaßpfad und der
Einlaßpfad sind im Hinblick auf die optische Achse der
Projektion des Laserstrahles symmetrisch
angeordnet.
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In der bei der Erfindung verwendeten Meßzelle wird
Teflon ("Teflon" ist ein registriertes
Warenzeichen) oder ein anderes korrosions-resistentes
Material auf den Flächen verwendet, die in
Kontakt mit der Flüssigkeit stehen, und die
Einlaß- und Auslaßröhren für die Flüssigkeit sind an Punkten
angeordnet, die unter Berücksichtigung der
optischen Achse der lichtaufnehmenden Linse symmetrisch
angeordnet sind, so daß die Flüssigkeit in der
Richtung der optischen Achse der lichtaufnehmenden
Linse fließt.
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Ein starker Anstieg in dem Abschnittsbereich des
Flusses nahe der Einlaßröhre führt zu einer
Verursachung
von turbulentem Fluß. Um dies zu verhindern,
wird ein doppelter zylindrischer Abschnitt
verwendet, um den Fluß der Flüssigkeit zu beruhigen,
die in der Richtung entsprechend der optischen Achse
der lichtaufnehmenden Linse fließt, und ein
zylindrischer Abschnitt wird ebenfalls verwendet, um
die Partikel dazu zu zwingen, durch die Meßzone mit
einer festgelegten Geschwindigkeit zu wandern. Beide
Abschnitte sind so ausgebildet, daß es keine krasse
Aenderung in dem Abschnittsbereich zwischen ihnen
gibt. Weiterhin sind in der Meßzelle der Erfindung
Eintritts- und Ausgangsfenster für den Laserstrahl
auf den Seiten des zylindrischen Abschnittes
ausgebildet zusammen mit einem Fenster zur Aufnahme von
Streulicht von Partikeln in der Flüssigkeit und
einem transparenten Fenster, das in einer Position
ausgebildet ist, die gegenüber dem
lichtaufnehmenden Fenster ist, um Reflektionen von der
Wandungsoberfläche zu vermeiden.
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Mit einer derart ausgebildeten Meßzelle fließen die
Partikel in der Meßzone der Meßzelle in einem
laminaren Flußmuster, so daß Stabilität des
Partikelflusses in der Bewegungsrichtung in einer kurzen
Entfernung erhalten wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden mehr deutlich anhand der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den
begleitenden Figuren erfolgt, wobei
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist,
die eine Anordnung eines Gerätes
der Erfindung für die Messung von
Partikeln in Flüssigkeit zeigt;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische
Ansicht eines Bereiches der
Meßzelle des Gerätes in Fig. 1 und
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Fig. 3 ist eine Ansicht von oben der
Meßzelle des gleichen Gerätes als
ein Querschnitt entlang einer Ebene,
die die Projektionsachse des Lasers
und die optische Achse entlang des
aufgenommenen Streulichtes enthält.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten
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Die Erfindung wird nun im Detail beschrieben anhand
von bevorzugten Ausführungsarten.
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In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Meßzelle,
in die eine zu messende Probe wie reines Wasser
od. dgl., das Partikel enthält, veranlaßt wird
hineinzufließen, wie im weiteren beschrieben wird.
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Ein einfallender Laserstrahl 3, der von einer
Laserlichtquelle 10 erhalten wird, ist aus einem
Helium-Neon-Laser oder dergleichen zusammengesetzt,
wird durch ein optisches Laser-Projektions-System
auf die Partikel 2 projiziert. Das optische Laser-
Projektions-System enthält einen Strahlaufspalter
12, der den Laserstrahl aufspaltet, der von der
Laserlichtquelle 10 kommt und einen Kondensor 13.
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Der Laserstrahl 3 von dem Kondensor 13 wird durch
ein Eintrittsfenster 4 fokussiert, das in der
Meßzelle 1 an einem Fokalpunkt 34 ausgebildet ist,
der die Mittel der Meßzone bildet. Dann tritt der
Laserstrahl durch ein Austrittsfenster 5 aus und
wird durch eine lichtabsorbierende Falle 16
absorbiert.
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Wie im nachhinein beschrieben wird, ist eine
lichtaufnehmende Linse 20 in einer Richtung angeordnet,
die nahezu senkrecht zu der Projektionsachse des
verwendeten Lasers ist, um ein Bild von lateral
gestreutem Laserlicht von den Partikeln 2 auf einer
Maske 21 auszubilden. Ein Schlitz 21a ist in der
Maske 21 ausgebildet, so daß durch den Spalt 21a
begrenztes Streulicht einen Fotovervielfältiger-
Tubus 22 erreicht. Das Signal, das von dem
Fotovervielfältiger-Tubus 22 erhalten wird, wird als
Input zu einem Signalprozessor (nicht dargestellt)
verwendet, bei dem bekannte Verfahren der
Photonenzählung verwendet werden, um Partikelcharakteristika
wie z.B. die Partikelverteilung, die Partikelgröße
u. dgl. zu messen.
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Zusätzlich wird, wie im Detail in den Fig. 2 und 3
gezeigt wird, die Meßzelle 1 mit einem
zylindrischen Abschnitt 33 ausgestattet, der als eine
Meßzone dient, die um den Fokalpunkt 34 herum
angeordnet ist. Auf der Peripherie dieses
zylindrischen Abschnittes 33 sind ein Eintrittsfenster 4
angeordnet, in das der Laserstrahl 3 von der
Laserlichtquelle 10 eintritt, ein Austrittsfenster 5,
durch das der Laserstrahl 3 heraustritt, und ein
lichtaufnehmendes Fenster 7, das Streulicht 6 von
Partikeln 2 aufnimmt, die durch den Fokalpunkt 34
wandern. Weiterhin ist ein Anti-Reflektionsfenster
8 an einem Ort gegenüber dem lichtaufnehmenden
Fenster 7 auf der anderen Seite des Fokalpunktes 34
angeordnet, um die Menge des reflektierten Lichtes
herabzusetzen, das in das optische lichtaufnehmende
System eintritt. Hinter dem Austrittsfenster 5 ist
die lichtabsorbierende Falle 16 angeordnet, die den
Laserstrah 1, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1
beschrieben, absorbiert.
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Zusätzlich ist der zylindrische Abschnitt 33 der
Meßzelle 1 mit Einlaßröhren 30 ausgestattet, durch
die eine Partikel 2 enthaltende Flüssigkeit in die
Meßzelle 1 fließt. Die Einlaßröhren 30 gelangen, wie
im Detail in Fig. 3 dargestellt ist, von jeder Seite
in die Meßzelle 1 in einem Winkel, der nahezu
senkrecht zu der optischen Achse der
lichtaufnehmenden Linse ist, krümmen sich dann, um nahezu parallel
zu der optischen Achse der lichtaufnehmenden Linse
zu verlaufen und verbinden den zylindrischen
Abschnitt 33 an dem lichtaufnehmenden Fenster 7.
Dergestalt wird ein doppelter zylindrischer Abschnitt
32 in dem Flüssigkeitseinlaßabschnitt der Meßzelle
ausgebildet, so daß eine Probeflüssigkeit durch
diesen doppelten zylindrischen Abschnitt 32
hineinfließt. Darüber hinaus sind Auslaßröhren 31 zur
Abgabe der Probeflüssigkeit derart angeordnet, daß
ihre Plätze und jene der Einlaßröhren 30 im
Hinblick auf die Projektionsachse des Laserstrahles
symmetrisch sind, und diese Auslaßröhren 31 sind in
der gleichen Art wie die Einlaßröhren 30
ausgebildet, so daß ein doppelter zylindrischer
Abschnitt 32 ebenfalls in dem
Flüssigkeitsauslaßabschnitt gebildet sind.
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Diese doppelten zylindrischen Abschnitte 32 sind
konzentrisch mit dem zylindrischen Abschnitt 33
angeordnet und der doppelte zylindrische Abschnitt
32 und der zylindrische Abschnitt 33 formen konische
Oberflächen, die um eine Ausdehnung der Mittellinie
zwischen ihnen herum zentriert sind. Daher sind in
der Meßzelle, die in der Erfindung verwendet wird,
beide Flüssigkeitseinlässe 30 im Hinblick auf die
optische Achse der lichtaufnehmenden Linse
symmetrisch angeordnet, so daß die Flüssigkeit in
der Richtung der optischen Achse der
lichtaufnehmenden Linse fließen wird und daher ist die
Flußrichtung der Partikel beinahe parallel zu der optischen
Achse des optischen Systemes das Streulicht von den
Partikeln aufnimmt,
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Es ist zu beachten, daß in der verwendeten Meßzelle
in dieser bevorzugten Ausführungsart Teflon
("Teflon" ist ein registriertes Warenzeichen) oder
anderes korrosions-resistentes Material auf den
Flächen verwendet wird, die sich in Kontakt mit der
Flüssigkeit befinden.
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Nun wird die Bedienung des Gerätes mit dieser
Ausgestaltung beschrieben.
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Ein Laserstrahl von der Laserlichtquelle 10 verläuft
durch den Strahlaufweiter 12 und Kondensor 13, um in
das Eintrittsfenster 4 der Meßzelle zu gelangen und
wird an dem Fokalpunkt 34 in der Meßzone fokussiert.
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Zur gleichen Zeit fließt eine Flüssigkeitsprobe, die
Partikel enthält, durch die Einlaßröhren 30 und
doppelten zylindrischen Abschnitt 32 in den
zylindrischen Abschnitt 33, oder Meßzone, der
Meßzelle 1. Da die zwei Einlaßröhren 30 symmetrisch
angeordnet sind und in Richtungen liegen, die
senkrecht zu dem doppelten zylindrischen Abschnitt 32
sind, wird die Flüssigkeitsprobe bis zur
Homogenität
in dem doppelten zylindrischen Abschnitt 32
gemischt. In diesem Fall, d. h. wenn der
Abschnittsbereich 2A&sub1; der Einlaßröhren 30,
Abschnittsbereich A&sub2; des doppelten zylindrischen
Abschnittes 32, und Abschnittsbereich A&sub3; des
zylindrischen Abschnittes 33 die Beziehung haben
2A&sub1; « A&sub2; > = A&sub3;, wird der Wechsel in dem
Abschnittsbereich zwischen dem doppelten
zylindrischen Abschnitt und dem zylindrischen Abschnitt
reduziert, so daß die Flüssigkeitsprobe, deren Fluß
durch einen ringförmigen Querschnitt in dem
doppelten zylindrischen Abschnitt beruhigt wird,
keinen turbulenten Flußzustand annehmen, wenn sie in
den zylindrischen Abschnitt 33 fließt, sondern
erhält eher einen zylindrischen Fluß des praktisch
unveränderten Abschnittsbereiches kurz bevor sie in
die Meßzone eintritt, und daher gelangt sie durch
die Meßzone in laminarem Fluß bei einer konstanten
Geschwindigkeit, nahezu senkrecht zu der optischen
Achse des Lasers.
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Das Laserlicht wird durch Partikel 2 gestreut, die
die Meßzone in dieser Art passieren. Die
lichtaufnehmende Linse 20 formt ein Bild auf der Maske 21
von dem Anteil des Streulichtes 6, daslateral in
eine Richtung gestreut wird, die senkrecht zu der
optischen Achse des Lasers ist. Das Streulicht 6
erreicht dann den Fotovervielfältiger-Tubus 22. Das
Signal, das von dem Fotovervielfältiger-Tubus 22
erhalten wird, wird dann als Input für einen
Signalprozessor verwandt, in dem wohlbekannte
Verfahren der Photonenzählung verwendet werden, um
Partikelcharakteristika, wie die
Partikelverteilung, Partikelgröße u. dgl. zu messen.
Nachdem die Flüssigkeitsprobe durch die Meßzone
gelangt ist, wird sie an der Außenseite durch die
Auslaßröhren 31 abgegeben. Diese Auslaßröhren 31
sind an der Rückseite des zylindrischen
Abschnittes angeordnetl so daß der Sogeffekt
verbessert wird. Vorsicht ist geboten, wenn die beiden
Auslaßröhren 21 in dem oberen Bereich des doppelten
zylindrischen Abschnittes angeordnet werden, so daß
Luftblasen, die innerhalb der Zelle eingeschlossen
sind, schnell ausgeschieden werden, um zu
verhindern, daß Luft in der Zelle zurückbleibt.
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Es wird darauf hingewiesen, daß in den Fig. 1, 2 und
3 das Symbol D die Flußrichtung anzeigt.
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Wie oben beschrieben wurde, ist in der vorliegenden
Erfindung ein lichtaufnehmendes Mittel zum Aufnehmen
von lateral gestreutem Licht angeordnet in einer
Richtung, die nahezu senkrecht zu der optischen
Achse des Lasers ist und die Partikel enthaltende
Flüssigkeit wird dazu gezwungen, in einer Richtung
zu fließen, die nahezu parallel zu der optischen
Achse der Streulicht aufnehmenden Linse liegt,
während der Flüssigkeitsfluß zuverlässig einen
stabilen laminaren Fluß über die kurze Entfernung in
der Meßzone annimmt, so daß Messungen bezüglich der
Verteilung der Partikelgröße unter optimalen
Bedingungen vorgenommen werden können.