DE69029723T2

DE69029723T2 - Verfahren zur bestimmung von grösse und geschwindigkeit kugelförmiger teilchen unter benutzung der phase und intensität gestreuten lichtes

Info

Publication number: DE69029723T2
Application number: DE69029723T
Authority: DE
Inventors: William Bachalo
Original assignee: Aerometrics Inc
Current assignee: TSI Inc
Priority date: 1989-10-03
Filing date: 1990-10-02
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2010-10-03
Also published as: DE69033491D1; AU6518090A; WO1991005236A1; EP0737854A3; EP0737854B1; US4986659A; DE69029723D1; EP0447529A1; EP0737854A2; EP0447529B1; EP0447529A4

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft Messungen der Teilchengröße und -geschwindigkeit, bei denen Laserstreulichterfassung angewendet wird, und betrifft insbesondere solche Messungen, bei denen die Doppler-Differenzfrequenz, relative signalphase und Intensität des gestreuten Lichtes verwendet werden.

Technischer Hintergrund:

Es besteht ein Bedarf für die detaillierte Messung der Abmessung und Geschwindigkeit sphärische Teilchen, von Tröpfchen, von Blasen und dergleichen. Anwendungsbereiche für derartige Messungen umfassen die Herstellung von Sprühdüsen, Sprayverbrennungsforschung, Verwendung von landwirtschaftlichen Pestiziden und Berieselung, Untersuchung von Flugzeugvereisung, atmosphärische Aerosolforschung, planetare Untersuchungen, Kraftstoffanalyse und zahlreiche weitere Anwendungen. Es sind verschiedene Techniken, bei denen Laserlichtstreuung verwendet wird, in Betracht gezogen und entwickelt worden, um die Abmessung und Geschwindigkeit von Teilchen, Tröpfchen, Blasen oder dergleichen zu bestimmen. Diese Techniken umfassen die Verwendung der Intensität von durch Teilchen gestreutem Licht, Teilchensichtbarkeit und die Phasen/Dopplertechnik zur Messung der Teilchengröße. Jedes Verfahren hatte unterschiedliche Erfolgsgrade, wenn es in der tatsächlichen Umwelt angewendet wurde.
Die Teilchengröße kann aus der Intensität des durch Teilchen gestreuten Lichtes bestimmt werden. Je größer die Streulichtintensität ist, um so größer ist die Teilchengröße. Bei einem Intensitätsmeßverfahren wird die Teilchengröße berechnet, indem angenommen wird, daß ein Teilchen Licht proportional zum Durchmesser des Teilchens im Quadrat (d²) streut. Ein präziseres Verfahren ist die wohlbekannte Lorenz-Mie-Theorie. Bei Verwendung der Lorenz-Mie-Theorie kann die Lichtstreuintensität für gleichmäßig beleuchtete sphärische Teilchen beliebiger Größe vorhergesagt werden. Zur weiteren Information über Teilchenmessungen unter Verwendung der Intensitätstechnik siehe van de Hulst, Lichtstreuung durch kleine Teilchen (Dover-Veröffentlichungen, 1957). Die Teilchengrößenmessungen, bei denen die Intensität von gestreutem Licht zur Bestimmung der Teilchengröße verwendet wird, sind jedoch sehr ungenau, da es eine Anzahl unbekannter Parameter wie die auf das Teilchen auffallende Intensität, den Querschnitt des auffallenden Laserlichts und die Teilchenbahn durch den Laserstrahl gibt. Es ist ein auf der Lichtstreuinterferometrie basierendes weiteres Verfahren, worauf als Sichtbarkeit Bezug genommen wird, verwendet worden, um sphärische Teilchen, Tröpfchen, Blasen oder dergleichen zu messen. Dieses Verfahren wird von William D. Bachalo in einem Artikel mit dem Titel "Verfahren zur Messung der Größe und Geschwindigkeit von Kugeln mittels Zwei-Strahl- Lichtstreuinterferometrie", Applied Optics Bd. 19, 1. Februar 1980 und im US-Patent Nr. 4 329 054 beschrieben, das am 11. Mai 1982 herausgegeben wurde. Es wird die Qrtsperiode des Interferenzstreifenmusters bei der Bestimmung der Teilchengröße und -geschwindigkeit verwendet, das durch ein sphärisches Teilchen, ein Tröpfchen, eine Blase oder dergleichen erzeugt wird, wenn dieses durch ein durch die Kreuzung von gekreuzten Laserstrahlen definiertes Probenvolumen durchtritt. Es sind verschiedene Verfahren ausgedacht worden, um die Ortsperiode des Streifenmusters zu messen. Bei den oben genannten Verweisen wurde das Streifenmuster über die Empfängerlinsenöf fnung integriert, um den Abstand oder die Ortsperiode des Streifenmusters zu erhalten. Die Signalsichtbarkeit, die sich ergab, konnte dann mit der Teilchengrößung in Bezug gesetzt werden. Diese Verfahren hat Nachteile, denn der dynamische Bereich des Systems war begrenzt, und die kombinierte Lichtstreuung durch die Mechanismen der Brechung und der Reflexion erzeugte Unsicherheiten bei den Messungen. Des weiteren erzeugen andere Teilchen, die durch die gekreuzten Strahlen treten, Extinktionsimpulse, die die Tendenz haben, die Signale zu verzerren und damit die Meßgenauigkeit zu beeinträchtigen.
Von F. Durst und M. Zare wurde ein alternativer Lösungsweg für das Sichtbarkeitsverfahren, auf den als das "Phasen/Doppler- Verfahren" Bezug genommen wird, in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Laser-Doppler-Messungen in Zwei-Phasen-Strömungen", Proceedings of the LDA Symposium, Kopenhagen, 1975 beschrieben. Die Autoren lieferten eine grundliegende Analyse unter Verwendung eines einfachen geometrischen Lösungsweges, um zu zeigen, daß die Gestalt und der Abstand, der durch das gestreute Licht mittels Reflexion und Brechung gebildeten Streifen von dem Winkel zwischen den einfallenden Laserstrahlen, ihrer Wellenlänge sowie der Lichtsammelrichtung und dem Teilchendurchmesser abhängig sind. Obwohl die Autoren behaupteten, daß sphärische Teilchen unter Verwendung von einer Doppel-Photodetektorvorrichtung gemessen werden konnten, erkannten sie später, daß Größenmessungen es erforderlich machten, daß der Abstand zwischen den Photodetektoren an den erwarteten, durch das gestreute Licht erzeugten Streifenabstand angepaßt werden mußte. Sie schlossen daraus, daß das Verfahren für Teilchenfeldmessungen nicht praktisch war.
In jüngerer Zeit wurde das Verfahren von W. D. Bachalo und M. J. Houser in einem Artikel mit dem Titel "Phasen/Doppler-Spray- Analysator für simultane Messungen für Tropfengröße und Geschwindigkeitsverteilungen", Optical Engineering, Bd. 23, Nr. 5, 1984 erörtert. In diesem Artikel wurde bei der Analyse eine rigorose Beschreibung der Lichtstreutheorie verwendet, die W. D. Bachalo in einem früheren Artikel mit dem Titel "Verfahren zur Messung der Größe und Geschwindigkeit von Kugeln mittels Zwei-Strahl-Lichtstreuinterferotrie", Applied Optics, Bd. 19, 1980 beschrieben wurde. Die theoretische Beschreibung und die experimentielle Nachprüfung zeigte, daß das Verfahren der Verwendung von Signalphasenmessungen für praktische Teilchenfeldmessungen verwendet werden konnte. Dies war ermöglicht bei der Auswahl geeigneter Detektortrennungen eine On-line-Beobachtung der Messungen, der Verwendung von Detektorenpaaren und einem einzigen Linsensystem für die Streulichterfassung. Die Technik wurde im US-Patent Nr. 4 540 283 offenbart. Ein ähnliches Verfahren wurde im US-Patent Nr. 4 701 051 offenbart. Die letztere Offenbarung beschreibt jedoch ein System mit Verwendung von drei oder mehr seperaten Empfängerlinsen und Detektorsystemen. Der im US-Patent Nr. 4 701 051 offenbarte Lösungsweg hat sich als sehr schwierig zu handhaben erwiesen, da jeder Empfänger sorgfältig auf denselben Messpunkt ausgerichtet werden muß.
Beide Lösungswege leiden unter den Wirkungen der kombinierten Lichtstreuung aufgrund von Reflexion und Brechung durch das Teilchen. Dieses Problem wurde von W. D. Bachalo und M. J. Houser in ihrem Bericht mit dem Titel "Analyse und Test eines neuen Verfahrens zur Tropfengrößenmessung unter Verwendung der Laserlicht-Streuinterferometrie" NASA Contract Report Nr. 174636 angesprochen. Das Problem wurde später von Saffman in einem Bericht mit dem Titel "Die Verwendung von polarisiertem Licht für die optische Teilchengrößensortierung" angesprochen, der auf dem Dritten Internationalen Symposium über Anwendungen der Laseranemometrie auf Fluidmechanik vorgelegt wurde, das in Lissabon, Portugal am 7. bis 9. Juli 1986 abgehalten wurde. Saffman schlug vor, daß ein Lichtstreuerfassungswinkel von annähernd 70º erforderlich war, um Fehler aufgrund Lichtstreuungserfassung mit gemischten Komponenten zu vermeiden. Dieses Verfahren hat den Nachteil einer verhältnismäßig niedrigen Streumtensität, geringeren Empfindlichkeit auf Teilchengröße und einer Unzulänglichkeit bei Anwendungen, die das Durchqueren des Probenvolumens mit eingeschränktem optischen Zugang benötigen. Häufig ist eine Rückstreulichterfassung erwünscht. Obwohl gezeigt wurde, daß eine zur Achse versetzte Rückstreuerfassung eine entwicklungsfähige Konfiguration ist, können Fehler infolge der Mehrkomponentenstreuung von Reflexion und Brechung auftreten.
Das Problem wird verschlimmert, wenn stark fokussierte Laserstrahlen mit Gaußschen Strahlintensitätsverteilungen verwendet werden.
Es werden stark fokussierte Strahlen zum Herabsetzen der Probenvolumenabmessung benötigt, wenn hohe Teilchenzahldichten bewältig werden müssen. Beispielsweise ist der Streukoeffizient für die Brechung bei einem Lichterfassungswinkel von 30º mit der zweckmäßigen Polarisation annähernd 80mal derjenige der Reflexion. Bei einem fokussierten Strahldurchmesser ähnlich dem Kugeldurchmesser und bei bestimmten Trajektorien können die relativen Einfallsintensitäten jedoch derart sein, daß die Lichtstreuung durch Reflexion und Brechung annähernd gleich sind. Da das Vorzeichen der Phasenverschiebung für das durch reflektiertes Licht erzeugte Streifenmuster entgegengesetzt zu demjenigen ist, das durch gebrochenes Licht erzeugt wird, bewegen sich die durch Reflexion erzeugten Streifen in der entgegengesetzten Richtung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Überwinden dieser Fehlerquelle und zum Liefern eines alternativen Mittels zum Testen der Messungen auf ihre Genauigkeit hin. Außerdem kann das Verfahren ein alternatives Mittel liefern, um die Messungen über mehrere Streifen (Nx2π) ohne Mehrdeutigkeit und ohne Verwendung zusätzlicher Phasenmessungen zu gestatten, die die Signalverarbeitung komplizieren können. Es ist auch ein Verfahren zum Messen des Probenvolumenquerschnitts beschrieben, von dem es bekannt ist, daß es sich mit der Teilchengröße ändert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Lasererzeugungsmittel zur Erzeugung eines Paars kohärenter Laserstrahlen vorgesehen und es sind Mittel vorgesehen, um die Trennung, den Kreuzungswinkel und fokussierten Durchmesser der Strahlen zu ändern. Diese Strahlen werden entlang einer Achse gerichtet und zum Kreuzen der Achse in einen gegebenen Winkel gebracht, um ein Interferenzmuster zu definieren, das ein Probenvolumen bildet. Eine Sammelvorrichtung ist vorgesehen, um das von Teilchen, Tröpfchen, Blasen oder dergleichen gestreute Licht abzutasten, das sich durch das Probenvolumen bewegt. Bei dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Sammelvorrichtung in aus der Achse versetzten bevorzugten Winkeln einschließlich einer von der Achse versetzten Rückstreuung mit dem vorbestimmten Winkel angeordnet, und der Winkel ist durch die Richtung der Strahlausbreitung definiert. Das gesammelte Streulicht wird auf Photodetektoren gerichtet, die mit einem Signalphasenbestimmungsmittel gekoppelt sind, um die relative Phase zwischen den durch jeden Photodetektor erzeugten Signalen zu messen, und einem Signalamplitudenbestimmungsmittel, um die relative Amplitude der Signale zu messen, wenn das Teilchen, der Tropfen, die Blase oder dergleichen durch das Probenvolumen durchtritt. Größensortiermittel sind mit dem Signalphasen- und Amplitudenbestimmungsmittel gekoppelt, um die Größe des Teilchens, des Tropfens, der Blase oder dergleichen aus den Phasen- und Amplitudenänderungen in den empfangenen Signalen zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung bestimmt die Teilchengröße durch die Phase der Streulichtsignale, überwindet jedoch mit dieser Technik verbundene Probleme, das heißt die Mehrdeutigkeit aufgrund des kombinierten Lichtstreueffektes durch die Mechanismen von Brechung und Reflexion. Die Mehrdeutigkeit wird dadurch herabgesetzt, daß die Amplitude der Streulichtsignale untersucht wird, um sicherzustellen, daß die Amplituden in einen bestimmten Bereich von Signalamplituden fallen, der als zuverlässig angesehen wird. Signale, die nicht innerhalb vorgeschriebener Maximal- und Minimalwerte fallen, werden aus den Meßberechnungen verworfen, wobei lediglich diejenigen Signale belassen werden, die zu bedeutsamen Berechnungen führen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIGUR 1 ist eine graphische Darstellung des derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
FIGUR 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines auf eine Kugel auftreffenden Laserstrahls mit Gaußscher Intensität.
FIGUR 3 ist eine Tabelle, die theoretische Amplitudenwerte, die unter Verwendung einer geometrischen Technik berechnet worden sind, und ihre entsprechenden Teilchengrößen veranschaulicht.
FIGUR 4 ist ein logarithmisches Diagramm, das die theoretischen Amplitudenwerte veranschaulicht, die für Teilchengrößenklassen unter Verwendung der Lorenz-Mie-Theorie berechnet worden sind.
FIGUR 5 ist ein Diagramm der Signalspannungsänderung gegen die Teilchengröße.
FIGUR 6 veranschaulicht schematisch die Phase für eine Teilchengrößensortierung über Mehrstreifenzyklen.
FIGUR 7 ist eine Tabelle, die Phasen- und Amplitudenwerte für Teilchengrößenklassen veranschaulicht.
FIGUR 8 ist ein Diagramm der Phase und entsprechenden Größenverteilung, wenn die Teilchengröße den ausgewählten Bereich überschreitet.
FIGUR 9 ist ein Diagramm der Phase und entsprechenden Größenverteilung nach der Größenbereichskorrektur.
FIGUR 10 veranschaulicht schematisch die Verwendung redundanter Phasenmessungen zum Messen einer Phasenverschiebung größer als 360º mit hoher Empfindlichkeit.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Größe und Geschwindigkeit von Teilchen, Tröpfchen, Blasen oder dergleichen (auf die im folgenden gelegentlich kollektiv als "Teilchen" Bezug genommen wird) unter Verwendung von Laserlichtstreuung offenbart. In der folgenden Beschreibung zu Erläuterungszwecken werden zahlreiche Details wie spezielle Wellenlängen, Winkel, Frequenzen, etc. erläutert, um ein völliges Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern. Es wird jedoch für den Fachmann offensichtlich, daß die Erfindung ohne diese speziellen Details ausgeübt werden kann. Bei anderen Beispielen sind wohlbekannte Komponenten, Strukturen und elektrische Verarbeitungsmittel nicht im einzelnen beschrieben worden, um die vorliegende Erfindung nicht unnotig unverständlich zu machen.
Wobei nun auf Figur 1 Bezug genommen wird, die Vorrichtung zur Bestimmung der Größe und Geschwindigkeit von Teilchen umfaßt ein Probenvolumen, das allgemein mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist. Das Probenvolumen 16 ist definiert als der Überlappbereich eines ersten Laserstrahls 18 und eines zweiten Laserstrahls 20, die zum Kreuzen in einem Winkel Gamma in Bezug auf eine Achse gebracht werden, die durch das Kreuzen der beiden Strahlen 18 und 20 definiert ist. Die mittels der vorliegenden Erfindung verwendeten Laserstrahlen werden bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch einen einzigen Laser 25 erzeugt. Der durch einen Laser 25 erzeugt Hauptstrahl 28 wird durch einen Strahlteiler 30 geführt, wodurch erste und zweite Strahlen 32 beziehungsweise 34 gebildet werden. Die Strahlen 32 und 34 werden von Reflektoren 36 und 38 fort reflektiert und werden durch eine Fokussierlinse 40 geführt, die bewirkt, daß sich die Strahlen bei dem gewünschten Winkel kreuzen und das Probenvolumen 16 bilden. Es sollte jedoch festgestellt werden, daß die Reflektoren 36 und 38 nicht erforderlich sind, um die Erfindung auszuführen, und daß ein "In-line"-System dasselbe Ergebnis herbeiführt.
Es sei festgestellt, daß in Figur 1 die Strahlen gestrichelt dargestellt worden sind und dann in vergrößerter Form im Bereich des Probenvolumens gezeigt werden. Durch das Probenvolumen 16 durchtretende Teilchen streuen Licht von jedem Strahl, und das gestreute Licht wirkt zur Bildung von Interferenzstreifenmustern in den das Teilchen umgebenden Raum ein. Wie zuvor erörtert wurde (siehe beispielsweise die Referenzen von Durst und Zare; und Bachalo), bildet die Phase des gestreuten Lichts das Interferenzstreifenmuster bei einer speziellen Ortsfrequenz. Diese Ortsfrequenz ist zum Teilchendurchmesser umgekehrt proportional. Die Streulichtintensität und damit die Signalamplitude hängt vom Teilchendurchmesser im Quadrat, der auffallenden Intensität sowie weiteren Parameter ab, die durch optische Geometrie bestimmt sind. Das Streulicht wird durch eine Sammelvorrichtung abgetastet, die Linsen 46 und 48 umfaßt, die das Licht auf Photodetektoren 50 fokussiert. Es können zwei oder mehr Photodetektoren verwendet werden. Die Photodetektoren 50 sind über Verstärker 52 mit einem Phasenerfassungsmittel 54 und Größensortiermittel 56 gekoppelt. Ein Schaltungsmittel 57 ist mit dem Größensortiermittel 56 zur Bestimmung der Änderung des effektiven Querschnitts des Probenvolumens 16 aufgrund von Größenänderungen der Teilchen, Tröpfchen und dergleichen gekoppelt, die durch das Interferenzmuster 42 durchtreten, wie unten beschrieben wird.
Figur 2 ist eine Veranschaulichung des Laserstrahls mit Gaußscher Intensität, der auf ein Teilchen oder ein Tröpfchen mit der Form einer Kugel auffällt. Phasenmessungen, wie von dem Erfinder, W. Bachalo im US-Patent Nr. 4 540 283 beschrieben, liefern Messungen des Teilchendurchmessers. Aufgrund der Gaußschen Intensitätsverteilung des in der Grundmode (TEM∞) arbeitenden Laserstrahls und der wahllosen Teilchentrajektorien durch den Strahl kann die kombinierte Lichtstreuung durch Reflexion und Brechung einen signifikanten Fehler erzeugen. Dieses Problem tritt beispielsweise bei Teilchen auf, die auf Trajektorien wie in Figur 2 veranschaulicht durchtreten. Bei einem Lichtstreuungserfassungswinkel von 30º ist die durch Brechung gestreute Lichtintensität 80mal diejenige, die durch Reflexion gestreut wird. Auf Trajektorien wie in Figur 2 gezeigt kann jedoch die Differenz viel kleiner aufgrund der nicht gleichmäßigen Strahlintensitat sein, wobei die größere auffallende Intensität auf den Punkt fällt, der Licht zum Detektor reflektiert. Wenn die Lichtstreuung durch die unerwünschte Komponente (Reflexion, wenn Brechung erwartet wird) signifikant ist, ist das Interferenzstreifenmuster nicht mehr sinusförmig, sondern wird zu einer komplizierten überlagerung verschiedener Ortsfrequenzkomponenten.
Die durch Reflexion erzeugten Interferenzstreifen bewegen sich auch in der entgegengesetzten Richtung zu den durch Brechung erzeugten Streifen. Dies kann zu großen Meßfehlern führen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Intensitäts- oder Signalamplitudeninformation als Mittel dazu verwendet, grobe Fehler aufgrund der Wirkung der oben erwähnten Mischstreukomponenten zu verhindern, die für bestimmte Teilchentrajektorien durch den Strahl auftritt. Mehr im einzelnen, die Amplitudeninformation wird dazu verwendet, den Bereich von Signalwerten zu bestimmen, der als ausreichend zuverlässig angesehen wird, um zu genauen Berechnungen zu führen. Wenn die Amplitudenmessungen aus dem Bereich von als zuverlässig angesehenen Signalwerten fallen, werden die Signalmessungen (Phase und Amplitude) verworfen und bei der Berechnung der Teilchengröße nicht verwendet.
Vorzugsweise wird der Gaußsche Strahl als erstes abgeschnitten, um Licht auf den Flügeln der Gaußschen Kurve bei einem bestimmten gewünschten Pegel (z.B. I/I&sub0; = 1/e²) zu entfernen. Obwohl es nicht erforderlich ist, den Gaußschen Strahl tatsächlich abzuschneiden, hat dieser Lösungsweg den Vorteil, die Größe des Probenvolumens 16 zu verringern und die Zahl der zu verarbeitenden Signale zu verringern, die schließlich verworfen werden. Teilchen mit einer gegebenen Größe, die auf sämtlichen Trajektorien durch den Strahl durchtreten, erzeugen dann einen Bereich von Lichtstreuintensitäten von 1/e ≤ I/Imax ≤ 1.
Vorzugsweise wird der Bereich zuverlässiger Signalwerte durch Messen des Bereichs von Amplitudenwerten (auf die als Intensitätswerte Bezug genommen wird) für eine bekannte Teilchengrößenklasse empirisch bestimmt. Der Bereich zuverlässiger Signalwerte kann auch aus der Berechnung der theoretischen Amplitudenwerte für einen Bereich von Teilchengrößenklassen abgeleitet werden. Ein Bereich akzeptabler Amplitudenwerte wird dann bestimmt, indem eine obere Grenze oberhalb des theoretischen Werts und eine untere Grenze unterhalb des theoretischen Werts berechnet werden.
Die theoretischen Amplitudenwerte können bestimmt werden, indem angenommen wird, daß ein Teilchen nicht porportional zum Durchmesser des Teilchens im Quadrat (d²) streut. Eine Beispiel-Tabelle, die die berechneten theoretischen Werte enthält ist, ist in Figur 3 gezeigt. Alternativ können die Werte unter Verwendung der Lorenz-Mie-Theorie berechnet werden, die von der Berechnung her intensiv ist, aber genaue Ergebnisse für Teilchengrößen kleiner als 3 Mikrometern hervorbringt, wo die geometrische Berechnung (d²) zusammenbricht. In Figur 4 ist ein logarithmisches Diagramm veranschaulicht, das die Intensitätswerte (Volt) für entsprechende Teilchendurchmesser (µm) zeigt. Die theoretischen Werte können berechnet werden, wenn die Signalwertmessungen genommen werden, oder können für einen Bereich von Teilchengrößenklassen berechnet und in Nachschlagetabellen für eine rasche und leichte Bezugnahme gespeichert werden.
Die obere Grenze kann der berechnete theoretische Wert sein. Vorzugsweise ist die obere Grenze etwas größer als beispielsweise 0-,25 Volt, der theoretische Wert zum Liefern einer Pufferzone. Die untere Grenze in der akzeptierten Lichtstreuintensität kann abhängig von den Erfordernissen der Meßgenauigkeit, der Möglichkeit einer Mischkomponentenlichtstreuung und weiteren Erwägungen ausgewählt werden. Beispielsweise wird wie oben beschrieben der Gaußsche Strahl bei 1/e abgeschnitten, wobei dann Teilchen mit einer gegebenen Größe, die auf sämtlichen Trajektorien durch den Strahl durchtreten, einen Bereich von Lichtstreuintensitäten von 1/e ≤ I/Imax ≤ 1 erzeugen. Die Unsicherheit im Teilchendurchmesser aufgrund der Teilchentrajektone durch den abgeschnittenen Gaußschen Strahl ist 1/e bis 1 oder 0,368 bis 1, und die untere Grenze würde vorzugsweise auf etwa 1/3 des theoretischen Wertes festgesetzt.
Wobei wieder angenommen wird, daß die Lichtstreuintensität proportional zu d² ist, ein Beispiel des Diagramms mit akzeptablen Streumtensitäten ist in Figur 5 gezeigt. Die Detektorverstärkung wird automatisch so eingestellt, daß die maximale Signalamplitude für jede Teilchengrößenklasse auf die d²-Kurve fällt, die durch das maximal zulässige Signal durchtritt. Die Verstärkung wird unter der Annahme eingestellt, daß das Phasen- Doppler-Verfahren die Größe der meisten Teilchen genau mißt, die durch das Zentrum des Gaußschen Strahls durchtreten. Es hat sich durch Experimente gezeigt, daß diese Annahme korrekt ist. Eine akzeptable Fehlergrenze, die als Puffer wirkt, ist auf den maximalen Wert festgesetzt worden, der als die gestrichelte Kurve gezeigt ist, die in Figur 5 mit "obere Grenze" markiert ist. Die mit "unterer Grenze" in FIGUR 5 markierte gestrichelte Kurve kann verstellt werden, um den Bereich von Streuintensitäten auszuwählen, über den Teilchen für jede Größenklasse angenommen werden. Dies entspricht einem Bereich von Teilchentrajektorien durch den Gaußschen Strahl und Durchmessern die dann Signale mit akzeptablen Intensitäten für jede Größenklasse erzeugen. Die vertikale Linie auf dem Diagramm ist ein Bespiel dieses akzeptablen Bandes für eine spezielle Größe (z.B. d/dmin = 20 für dieses Beispiel) . Die akzeptablen Grenzen für Teilchengrößenklassen können berechnet werden, wenn die Messungen ausgeführt werden, oder vorzugsweise vor den Messungen berechnet und in einer Nachschlagetabelle für rasche Bezugnahme gespeichert werden.
Wenn die Intensität oder Signalamplitude verwendet wird, um die aus dem Phasenverfahren erhaltenen Messungen gültig zu machen, muß das Kurvenanpaßverfahren modifiziert werden, um die akzeptierte untere Signalamplitudengrenze zu berücksichtigen, die als untere Grenze der Probenvolumenbreite erscheint. Dieser Effekt kann leicht unter Verwendung des ausgewählten unteren Abschneidewertes der Signalamplitude vorausgesagt werden.
Die Signalamplitudeninformation kann auch dazu verwendet werden, Messungen von Phasenverschiebungen zu gestatten, die 2π (360º) überschreiten, wobei lediglich ein Detektorpaar verwendet wird, oder in Verbindung mit dem Verfahren, bei dem Mehrfach-Detektorpaare verwendet werden. Die Begrenzung der Zyklenzahl der Signalphasendifferenz, über die das Verfahren verwendet werden kann, hängt von dem Bereich der akzeptierten Einfallintensitäten ab. Das heißt, da der Laserstrahl eine Gaußsche Intensitätsverteilung hat, ändert sich dann die auffallende Intensität basierend auf der Teilchentrajektorie. Die Strahlintensitätsverteilung kann jedoch abgeschnitten werden, um den Bereich von Signalamplituden für jede Teilchengrößenklasse zu begrenzen. Figur 6 zeigt das Phasendiagramm für einen Bereich von Teilchengrößen über mehr als einen Phasendifferenzzyklus. Beim Beispiel von Figur 6 ist die Phase gezeigt, wie sie sich über zwei Zyklen (4π oder 720º) ändert. Klar entsprechen dann zwei Teilchengrößen jeder Phasenmessung, da sich die gemessene Phase nach 2π wiederholt. Ob das gemessene Teilchen eine Phasenverschiebung Φ im ersten Zyklus oder 360º + Φ entsprechend dem zweiten Zyklus erzeugt, kann aus der Signalamplitudeninformation festgestellt werden. Da sich die Signalamplitude annähernd mit dem Teilchendurchmesser im Quadrat ändert (siehe beispielsweise Figur 7) , ist die Signalamplitudendifferenz größer als die Signalamplitudenänderung aufgrund der Trajektone durch den Strahl. Im schlechtesten Fall, in dem der volle Phasenbereich von 4π (720º) für den gestatteten Größenbereich von 35:1 (begrenzt durch Signalamplitudenerwägungen) verwendet wird, ergibt sich ein Signalamplitudenbereich von 4 zu 1. Das heißt, die dimensionslose Signalamplitude für ein Teilchen, das eine Phasenverschiebung von 360º erzeugt, wäre annähernd 0,25, während die dimensionslose Signalamplitude für ein Teilchen, das eine Phasenverschiebung von 720º erzeugt, 1,0 wäre. Somit können die Signalamplituden dazu verwendet werden, den Zyklus der Phasenmessung (Φ oder Φ + 360º) und von daher die Größe des Teilchens zuverlässig zu identifizieren. Die Phaseninformation und entsprechende Amplitudeninformation können für jede Messung berechnet werden oder können alternativ vor der Zeit berechnet und in eine Nachschlagetabelle zur leichten Bezugnahme eingebracht werden.
Wie in Figur 6 veranschaulicht ist, ist die Teilchengröße an der Stelle 100 gleich 15 Mikrometer, wobei eine Signalamplitude definiert ist als
15²/35² x 10 = 1,84V.
An der Stelle 110 ist die Teilchengröße gleich 30 Mikrometer, wobei eine Signalamplitude definiert ist als
30²/35² x 10 = 7,35V.
Es ist eine Software erzeugt worden, um den angezeigten Größenbereich auf 2 Zyklen oder eine Phasenverschiebung 720º zu begrenzen. Wenn größere Teilchen vorhanden sind, die eine Phasenverschiebung von größer als 4π erzeugen, erzeugt dann die Echtzeitanzeige die Größenverteilung, die die obere Grenze überschreitet (siehe Figur 8). Da Größenverteilungen fortlaufend sind, wird dies den Fachleuten offensichtlich sein, die das Verfahren verwenden. An dieser Stelle werden die Größensortierungsparameter geändert, um die Verteilung in die Meßgrenzen zu bringen. Figur 9 veranschaulicht das Phasendiagramm und die entsprechende Größenverteilung nach Korrektur der Größenbereichsauswahl zum Anpassen der tatsächlichen Größenverteilung
Wobei nun auf Figur 10 Bezug genommen wird, bei dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Photodetektoren 50 wenigstens zwei Photodetektoren 120 und 125. Wenn 2 oder mehr Detektorpaare verwendet werden, können die Phasenmessungen auf über mehrere Phasenzyklen (n x 2π) erweitert werden, wobei n die Zyklenzahl ist. Das Paar von dicht beieinander angeordneten Detektoren begrenzt jedoch dann die obere Größe der Teilchen, die ohne Mehrdeutigkeit gemessen werden kann. Das heißt, der Streifenabstand kann kleiner als die mit dem dichtesten Abstand angeordneten Detektoren (Detektoren 120 und 125 in Figur 10) sein. Eine zweckmäßige Auswahl der Detektorabstände kann dazu verwendet werden, Messungen auszuführen, wobei sich die Phase um mehr als 360º bei jedem Detektorpaar ändert. Durch Messen der Phasenverschiebung zwischen den Detektoren 120 und 125 für jedes Teilchen können die Messungen verglichen werden, um auszuwerten, über welchen Zyklus jede Messung auftrat. Die redundanten Messungen können dann weiter verglichen werden, um die Zuverlässigkeit jeder Messung abzuschätzen. Diese Messungen mit zunehmender Größenbereichsempfindlichkeit, ausgewählt durch vergrößerte Detektorabstände, dienen dazu, die Größenempfindlichkeit über jede Teilchengrößenmessung auf ein Maximum zu bringen.
Es sind zuverlässige Messungen in der Nähe von 360º erzielt worden, wobei das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wurden. Bei diesen Werten führt dann ein kleiner Meßfehler über das Signal zu einer Änderung zwischen 360º und 0º entsprechend dem nächsten Zyklus. Eine Phasenverschiebungsschaltung ist eingebaut worden, um die Möglichkeit eines verhältnismäßig großem Meßfehlers zu beseitigen. Der Wert der gemessenen Phase des unteren Empfindlichkeitsbereichs könnte dazu verwendet werden, wenn der hohe Empfindlichkeitsbereich nahe 360º liegt. Dies führt jedoch zu Diskontinuitäten in der Größenbereichsempfindlichkeit. Das Signalphasenverschiebungsverfahren und die Bereichsauswahllogik sind bei der vorliegenden Erfindung mit aufgenommen worden und beseitigen diese Fehlerquelle.
Somit umfaßt die vorliegende Erfindung ein Phasenverschiebungsverfahren, das die Signale aus den Detektoren aufspaltet und die Phase eines der Signale von jedem Paar um 180º verschiebt. Es wird dann eine Schaltungsanordnung verwendet, um zu bestimmen, wenn die Signalphasendifferenzen sich 360º nähern. Dies kann aus der Tatsache erkannt werden, daß die Differenz zwischen den entsprechenden Signalen am anderen Paar dann nahe 180º sind, was genau ausgeführt werden kann. Die möglicherweise großen Fehler können vermieden werden, die durch Versuche und der Messung nahe 360º erzeugt werden.
Somit ist ein verbessertes System und Verfahren zur Bestimmung der Größe und Geschwindigkeit von Teilchen, Tröpfchen und dergleichen offenbart worden. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf Figuren 1-10 geschrieben worden ist, dienen die Figuren selbstverständlich lediglich zur Veranschaulichung und sollten nicht als Einschränkung der Erfindung verwendet werden.

Claims

1. In einer Vorrichtung zur Messung von Parametern, verbunden mit Teilchen, Tröpfchen und dergleichen, wobei erste und zweite Gaußsche Laserstrahlen, (32, 34) verwendet werden, bei denen bewirkt wird, daß sie sich zur Herstellung eines Probenvolumens (16) bildenden Interferenzmusters kreuzen, ein Verfahren zur Erfassung von Fehlern aufgrund von gemischten Komponenten in Licht, das von den Teilchen, Tröpfchen und dergleichen gestreut wird, die durch das Interferenzmuster treten, umfassend die Schritte, daß:

(a) die ersten und zweiten Gaußschen Laserstrahlen (32, 34) erzeugt werden und die Strahlen gerichtet werden, so daß sie sich bei einem bekannten Winkel zur Bildung des Probenvolumens (16) zu kreuzen;

(b) das von den Teilchen, Tröpfchen und dergleichen gestreute Licht gesammelt wird (46, 48, 50), das durch das Probenvolumen (16) tritt, und die Phase des gestreuten Lichts bestimmt wird (54);

(c) die Größe der Teilchen, Tröpfchen und dergleichen aus der Phase des gestreuten Lichts bestimmt wird (56);

(d) die Amplitude des gestreuten Lichts bestimmt wird und die Amplitude mit vordef inierten oberen und unteren Amplitudengrenzen für die Teilchengröße verglichen wird derart, daß, wenn die bestimmte Amplitude außerhalb der Grenzen liegt, ein Fehler erfaßt wird und die Messung als ungültig betrachtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Amplitude weiter mit den Phasenwinkelwerten verglichen wird, die in einer Nachschlagetabelle gespeichert sind, wobei die Tabelle einen entsprechenden Phasenwinkel für eine eingegebene Amplitude liefert und bestimmt, ob die Amplitude einem Phasenwinkel größer als 2π entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die oberen und unteren Amplitudengrenzen in einer Nachschlagetabelle für jede Größenklasse der Teilchen, Tröpfchen und dergleichen gespeichert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die obere Grenze dadurch bestimmt wird, daß ein theoretischer Wert für die Größenklasse der bestimmten Teilchengröße bestimmt wird und der theoretische Wert um eine vorbestimmte Größe vergrößert wird, die eine Pufferzone anzeigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der theoretische Wert unter Verwendung der Lorenz-Mie-Theorie berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der theoretische Wert unter Verwendung einer geometrischen Technik berechnet wird, die annimmt, daß die Signalamplitude gleich dem Teilchendurchmesser im Quadrat ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die vorbestimmte Größe im Bereich von 0-,25 Volt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die untere Grenze dadurch bestimmt wird, daß ein theoretischer Wert für die Größenklasse der bestimmten Teilchengröße berechnet wird und der theoretische Wert um eine vorbestimmte Größe verringert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der theoretische Wert unter Verwendung der Lorenz-Mie-Theorie berechnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der theoretische Wert unter Verwendung einer geometrischen Technik berechnet wird, die annimmt, daß die Signalamplitude gleich dem Teilchendurchmesser im Quadrat ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei die vorbestimmte Größe annähernd ein Drittel des theoretischen Wertes ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sammelschritt umfaßt, daß das gestreute Licht unter Verwendung von zwei oder mehr mit Abstand voneinander angeordneten Photodetektoren abgetastet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gemischten Komponenten Licht umfassen, das durch die Teilchen, Tröpfchen und dergleichen fort reflektiert oder gebrochen worden ist.

14. In einem System zur Messung von mit Teilchen, Tröpfchen und dergleichen verbundenen Parametern, bei dem Laserlichtstreuung verwendet wird, eine Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern aufgrund gemischter Komponenten bei der Streuung, umfassend:

ein Lasererzeugungsmittel (25) zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Gaußschen Laserstrahls (32, 34) und zum Richten der Strahlen, so daß sie sich unter Bildung eines Probenvolumens (16) kreuzen;

Sammelmittel (46, 48, 50) zum Sammeln des gestreuten Lichts aufgrund der Teilchen, Tröpfchen und dergleichen, die durch das Probenvolumen (16) durchtreten, und zum Umwandeln des gestreuten Lichts in elektrische Signale;

Phasenerfassungsmittel (54), die mit dem Sammelmittel gekoppelt sind, um die Phasenamplitude der Signale zu bestimmen;

Größensortiermittel (56), die mit dem Phasenerfassungsmittel (54) gekoppelt sind, um die Größe des Teilchens, Tröpfchens und dergleichen aus der Phase der Signale zu bestimmen, wobei das Größensortiermittel (56) weiter die Amplitude mit vordef inierten oberen und unteren Amplitudengrenzen für die Teilchengröße vergleicht derart, daß, wenn die Amplitude außerhalb der Grenzen liegt, ein Fehler erfaßt wird und die Messung als ungültig angesehen wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Größensortiermittel (56) weiter die Amplitude mit Phasenwinkelwerten vergleicht, die in einem Nachschlagetabellenmittel gespeichert sind, das mit dem Größensortiermittel (56) gekoppelt ist, wobei das Nachschlagetabellenmittel einen entsprechenden Phasenwinkel für eine eingegebene Amplitude liefert und bestimmt, ob die Amplitude einem Phasenwinkel größer als 2π entspricht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die oberen und unteren Amplitudengrenzen in einer Nachschlagetabelle für jede Klassengröße der Teilchen, Tröpfchen und dergleichen gespeichert sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die obere Grenze dadurch bestimmt wird, daß ein theoretischer Wert für die Größenklasse der bestimmten Teilchengröße berechnet wird und der theoretische Wert um eine vorbestimmte Größe vergrößert wird, die eine Pufferzone anzeigt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der theoretische Wert unter Verwendung der Lorenz-Mie-Theorie berechnet wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der theoretische Wert unter Verwendung einer geometrischen Technik berechnet wird, die annimmt, daß die Signalamplitude gleich dem Teilchendurchmesser im Quadrat ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die vorbestimmte Größe im Bereich von 0-,25 Volt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die untere Grenze dadurch bestimmt wird, daß ein theoretischer Wert für die Größenklasse der bestimmten Teilchengröße berechnet und der theoretische Wert um eine vorbestimmte Größe verringert wird.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der der theoretische Wert unter Verwendung der Lorenz-Mie-Theorie berechnet wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der der theoretische Wert unter Verwendung einer geometrischen Technik berechnet wird, die annimmt, daß die Signalamplitude gleich dem Teilchendurchmesser im Quadrat ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die vorbestimmte Größe annähernd ein Drittel des theoretischen Wertes ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Sammelmittel das gestreute Licht unter Verwendung von zwei oder mehr mit Abstand voneinander angeordneten Photodetektoren abtastet.