NL8003429A - Werkwijze en inrichting voor het meten van deeltjes in een fluidum. - Google Patents

Description

* * k ; Werkwijze en inrichting voor het meten van deeltjes in een fluïdum.

Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland te fs-Gravenhage.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten van het aantal en de grootte van deeltjes in een stromend fluïdum met behulp van een laserbundel door deze bundel op te splitsen in twee bundels die door het fluïdum gestuurd worden en vervolgens de verstrooide straling van de 5 door de bundels getroffen deeltjes op te vangen, te detecteren en te registreren. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze.

Uit het Amerikaanse octrooi 4.179.218 is een soortgelijke inrichting bekend, waarbij twee gelijke kruisende laserbundels worden toegepast en waar-10 bij de straling verstrooid door deeltjes in het gebied.waar de bundels elkaar kruisen wordt gedetecteerd. Deze bekende apparatuur dient om slechts stralings-verstrooiing van deeltjes die zich in het centrum van de twee kruisende bundels bevinden te meten, en op deze wijze alleen de deeltjes te tellen die door het middelste gedeelte van de overlappende ruimte van de twee stralingsbundels 15 bewegen. Een nadeel van deze methode is dat de intensiteit van een laserbundel een ruimtelijk Gauss profiel heeft (ruimtelijke klok curve), waardoor de intensiteit van de bundel in het centrum hoger is en de intensiteit van de door deeltjes, die door dit centrum heengaan, verstrooide straling eveneens hoger is. Het blijkt dat door het verschil in intensiteit van het verstrooide 20 licht onvoldoende inzicht in de werkelijke grootte van de deeltjes wordt verkregen.

Het is mogelijk om dit bezwaar te voorkomen door te trachten een blokvormig laserprofiel te realiseren. In de praktijk leidde dit echter tot de nu volgende conclusies: 25 - het bleek noodzakelijk te zijn om in de afbeeldingsoptiek lenzen te gebruiken van hoogwaardige kwaliteit, dit is vanzelfsprekend zeer kostbaar.

- desondanks bleek na installatie van achromaten het maximale resultaat een bundelprofiel te zijn met 25% flanken en 50% topvariatie. Dit tengevolge van sterke interferentie- en buigingsverschijnselen die in het focus optreden en van .30 lensfouten.

Het bleek hierom vrijwel onmogelijk om een blokvormig laserprofiel te gebruiken.

De uitvinding beoogt nu de invloed van de flanken van het Gaussische 008 Ned. 13.6.1980.

800 3 4 29 » » - 2 - laserbundelprofiel op te heffen volgens een voor de gemiddelde vakman niet voor de hand liggende methode die sterk afwijkt van het bekende uit het eerder genoemde Amerikaanse octrooi 4.179.218.

Volgens de uitvinding wordt nu, als men, 5 a) de laserbundel splitst in een eerste meetbundel die ten opzichte van de stromingsrichting van het fluïdum wordt voorafgegaan of gevolgd door een tweede, smallere meetbundel, die in hoofdzaak evenwijdig loopt met de eerste bundel, zodanig, dat de hartlijnen van de beide bundels in êën vlak liggen; b) het door de deeltjes verstrooide licht van de eerste bundel en het door 10 de deeltjes verstrooide licht van de tweede bundel elk afzonderlijk detecteert en in een impuls omzet; c) de impuls veroorzaakt door de deeltjes in de tweede bundel gebruikt als coïncidentie-signaal voor de impuls veroorzaakt door dezelfde deeltjes in de eerste bundel.

15 Een nieuw principe bij de thans voorgestelde werkwijze en inrichting is de toepassing van een optisch signaal, samenwerkend met coïncidentie-apparatuur.

Hoewel de nieuwe methode voor het tellen van deeltjes in een meetvolume uitstekend werkt, bestaat er een mogelijkheid tot "overspraak" van meetbundel op de triggerbundel. In het hiernavolgende zal de tweede bundel als "trigger-20 bundel" worden aangeduid. Door de zeer kleine onnauwkeurigheden in de meetbundel komt enige strooi-intensiteit tot vlak bij de rand van de triggerbundel, deeltjes die nu eigenlijk niet de triggerbundel passeren, geven thans echter wel een strooisignaal dat door de detectie-apparatuur gerekend wordt tot verstrooide deeltjesstraling afkomstig van deeltjes die de triggerbundel ge-25 passeerd zijn.

In principe bezitten zowel de meetbundel als de triggerbundel een cirkelvormige doorsnede. Het is volgens een voorkeursuitvoering mogelijk om de overspraak van meet- en triggerbundel te voorkomen door de meetbundel door geëigende middelen een dwarsdoorsnede te geven die in de stromingsrichting 30- een kleinere afmeting heeft dan loodrecht hierop. Hierbij zou men dan bijvoorbeeld kunnen denken aan een elliptische in plaats van een cirkelvormige doorsnede. Een verder voordeel van de voorgestelde wijziging in doorsnede van de meetbundel is aanpassing van het meetinstrument aan hogere snelheden van het fluïdum dat de te meten deeltjes bevat. De triggerbundel kan immers op deze 35 wijze dichter bij het hart van de meetbundel worden gebracht.

800 34 29 008 Ned. 13.6.1980.

* t - 3 -

De meest eenvoudig te realiseren gewijzigde afmeting van de meetbundel is deze, dat de meetbundel de vorm van een halve rechte cirkelcilinder bezit. Bij voorkeur wordt deze vorm van een halve rechte cirkel cilinder gerealiseerd door middel van een diafragma of (optisch) mes.

5 Een belangrijke eigenschap van de thans voorgestelde inrichting is dat de afstand tussen triggerbundel en meetbundel op een variabele afstand focusseerbaar is door middel van ëën of meer instelbare lenzen. Hierdoor is het apparaat instelbaar op verschillende snelheden van fluïdumstremen die deeltjes bevatten, waardoor de toepasbaarheid vanzelfsprekend vergroot is.

IQ In een praktijkgeval heeft bij een gassnelheid van omstreeks 200 meter per seconde de triggerbundel een diameter van _1. “ 3 mm, de meetbundel een 4 diameter van 0,5 - 5 mm en bedraagt de afstand tussen de middelpunten van de triggerbundel en de middellijn van de meetbundel 0,5-6 mm.

15 Het is mogelijk om volgens een voorkeursuitvoering de hoogte en daarmede het meetvolume van trigger- en meetbundel waarvanhet verstrooide licht gemeten wordt in te stellen door in het optische afbeeldingssysteem een instelbaar diafragma aan te brengen. Hierdoor kan men als men te veel of te weinig deeltjes telt het meetvolume instellen.

20 In veel gevallen is het noodzakelijk om licht afkomstig van bijvoorbeeld of vlammen bij metingen aan rookgas m het geval van een MHD-plasma waarin men het stofgehalte wil meten, het licht afkomstig van het plasma zelf af te schermen door middel van een interferentie-filter, bijvoorbeeld iA® 0,1 nanometer. Dit interferentie-filter is dan geplaatst voor het uiteindelijke 25 scheidingssysteem dat de intensiteiten van trigger- en meetbundel scheidt voordat deze gedetecteerd worden door photo-multiplicator buizen.

Teneinde het meetbereik voor de verschillende deeltjes grootten te verbeteren wordt in de detectie-apparatuur van de meetbundel bij voorkeur een versterker aangebracht met een hoog dynamisch bereik (0,5 m V - 20 V) 30 en een hoge bandbreedte (0 - 2000 k Hz). Deeltjes tussen 0,05 en 150 micron kunnen thans in ëën meetbereik naar grootte gedetecteerd worden als electro-nische pulsen.

Teneinde ruis- en andere achtergrondeffecten te elimineren is in het detectiesysteem voor de door de triggerbundel verstrooide straling een 35 spanningsvergelijker (voltage comparator) aangebracht.

Een voor het detecteren van electronische pulsen gebruikte meerkanaals-analysator (multichannel analyser) MCA, als de in de handel verkrijgbare MCA- 800 34 29 λλπ μ 1 » n / iηΟΛ * - 4 -

Le Croy gv T 3001, kan in het circuit dat de signalen, afkomstig van de trigger-bundel registreert, worden geschikt gemaakt door het achtereenvolgens inbrengen van een monostabiele multivibrator die bijvoorbeeld ingesteld is op een ver-tragingstijd van 4 micro-seconden en een andere monostabiele multivibrator die 5 ingesteld is op een openingstijd van 6 microseconden. Bij een gas- en tevens deeltjessnelheid van ongeveer 200 meter per seconde heeft dit het nu volgende resultaat.

Een deeltje dat de triggerbundel doorloopt veroorzaakt door zijn verstrooiing dat het telsysteem van de multichannel analyser voor 4 micro-seconden uitge-10 schakeld is. In deze 4 microseconden doorloopt dit deeltje de afstand tussen de triggerbundel en de meetbundel.

Na het bereiken van het hart van de meetbundel, die bij voorkeur de vorm van een "gehalveerde" rechte cirkelcilinder heeft, geeft in theorie het te meten deeltje vrijwel direct de maximale lichtverstrooiing. In de praktijk duurt het 15 afgeven van de maximale strooilicht impuls ongeveer 1 microseconde, teneinde er nu zeker van te zijn dat in de meetbundel de maximale strooilicht impuls gemeten wordt, wordt een openingstijd van 6 microseconden ingesteld.

Goede resultaten zijn bereikt met een 5W argon-ion laser (λ = 515,4 nanometer).

20 Hoewel lichtverstrooiing door deeltjes het grootste is in de voortbewegings- richting en het kleinste in een richting loodrecht hierop, is het een betere werkwijze om in geval van een sterk lichtgevend gas, als een MHD-blow-down experiment, onder een hoek van omstreeks 90° met de gassnelheid te meten. Hiermee wordt storing door het licht van het experiment voorkomen.

25 In principe is de uitvinding toepasbaar bij elke stralingsbron met een min of meer Gaussische intensiteitsverdeling, waarmee bedoeld is dat de topintensi-teit van het centrum van de bundel sterk afwijkt van de intensiteit aan de rand van de bundel en er desondanks een redelijk breed gebied van maximale intensiteit aanwezig is. Vanzelfsprekend kan men de uitvinding eveneens toepassen met 30 electromagnetische straling van andere frequenties.

Behalve bij het eerder genoemde MHD experiment is de uitvinding zeer goed toepasbaar in rookgaskanalen van met kolen gestookte inrichtingen.

De uitvinding wordt thans toegelicht met een tekening. Deze toont met: fig. 1: een schematisch beeld van de gang van de laserbundels; 35 fig. 2: een doorsnede van de twee bundels ter plaatse.van de verstrooiingsmeting; fig. 3: een schematisch beeld van de detectie optiek met stralengang; fig. 4: een blok of lijnenschema van het electronisch gedeelte volgend op de 800 34 29 008 Ned. 13.6.1980.

- 5 - t detectie optiek; en fig. 5; een ruimtelijk beeld van het meetsysteem in een stromingskanaal,

In figuur 1 is met 19 aangegeven een laserbron, die voorzien is van een ruimtelijk filter 20. De uit de laserbron 19 komende stralingsbundel wordt 5 door middel van een lens 21 omgezet in een evenwijdige bundel. De evenwijdige bundel wordt vervolgens in een bundelscheider 1 bestaande uit een dubbel prisma en een zich hieronder bevindend 90° prisma gesplitst in twee bundels 2 en 3. De bovenste bundel 2 doorloopt vervolgens een lens 8 en wordt door een mes 7 als het ware gehalveerd. De "gehalveerde" meetbundel en de onderste IQ triggerbundel doorlopen verder beide een convergerende lens 9. Door het verschil in breking van de verschillende plaatsen van het lenzenstelsel worden triggerbundel en de thans gehalveerde meetbundel op verschillende plaatsen achter elkaar gefocusseerd. De plaatsen van de beide foei zijn regelbaar doordat er in dit geval een instelbare lens 8 in éin van beide bundels is ge-15- plaatst, met de instelling van de plaatsen van beide foei wordt tevens de verhouding van beide diameters van triggerbundel 2 en meetbundel 3 naar wens ingesteld. (In figuur 2 is de doorsnede vanhet deel van de hoofdbundel dat door het mes 7 is weggenomen gearceerd). In het lenzensysteem is achter de lens 9 een (niet getekend) prisma geplaatst dat door beide bundels 2 en 3 20 doorlopen wordt en er voor zorgt dat de verstrooide straling onder een hoek van 90° gedetecteerd kan worden. De in figuur 3 weergegeven detectie apparatuur is in feite evenwijdig met de laserbundel apparatuur van figuur 1. Opstelling liefst onder elkaar van laserbundel apparatuur en detectie apparatuur is soms in de praktijk een voordeel omdat men nu alleen maar aan een zijde van een 25 stromingskanaal plaats voor apparatuur nodig heeft.

In figuur 2 zijn met 4 en 5 punten op de hartlijnen van respectievelijk de triggerbundel 3 en de gehalveerde meetbundel 2 aangegeven. Het gearceerde lirikergedeelte van de meetbundel geeft aan welk gedeelte door het optisch mes 7, weergegeven in figuur I, is weggenomen.

3Q De afstand tussen de punten 4 en 5 is in dit geval 1,5 mm, terwijl de respectieve diameters van trigger- en meetbundel respectievelijk 0,5 en 3 mm bedragen. Door middel van de aan de linkerzijde aangegeven pijlen is aangegeven de richting van een gasstroom die beladen is met stofdeeltjes.

Opgemerkt wordt dat bij toepassing van een tweede bundel die de meetbundel 35 volgt juist het niet-gearceerde deel van de meetbundel bij toepassing van een optisch mes 7 wordt weggenomen.

800 34 29 008 Ned. 13.6.1980.

- 6 - X ’r

In figuur 3 wordt weergegeven hoe verstrooid licht afkomstig van de deeltjes die triggerbundel 3 en meetbundel 2 passeren, door middel van een optisch afbeeldingssysteem 16 naar twee photo-multiplicator buizen verder afgekort PMT 22 en 23 geleid wordt. De PMT 22 is hierbij ingang voor het 5 signaal van de triggerbundel 3, terwijl de PMT 23 het signaal afkomstig van de meetbundel 2 ontvangt. In het optisch afbeeldingssysteem 16 is een instelbaar diafragma 10 aangebracht,waarmee de uiteindelijke telsnelheid geregeld kan worden. Een interferentie-filter 18 is geplaatst voor een uiteindelijk scheidingssysteem 11 dat de verstrooide intensiteiten van de beide 10 bundels 2 en 3 scheidt. Het scheidingssysteem 11 omvat een 90° prisma en een spiegel. De beide PMT's 22 en 23 zijn opgenomen in blok- of lijnenschema weergegeven in figuur 4.

In figuur 4 geeft in het detectie-systeem voor de triggerbundel de "trigger" PMT 22 een signaal af, wat met behulp van de monostabiele multi-15 vibrator 15 (= vertragingstijd of delay tijd) en de monostabiele multivibrator 16 ( gate puls) een poortsignaal op de MCA geeft. Men verkrijgt nu de juiste triggering door monostabiele multi vibrator 15 zo in te stellen dat de gate-puls tegelijkertijd verschijnt met de meetpuls afkomstig uit het detectie circuit 14 van de meetbundel. In beide detectie circuits 13 en 14 20 zijn verder nog opgenomen twee emissie volgers 24 en 25, terwijl het circuit 13 nog omvat een spanningsvergelijker (voltage comparator) 26 en het circuit 14 een versterker 27 omvat. De circuits 14 en 15 zijn aangesloten op de MCA aangegeven met 12.

In figuur 5 is met 28 een stromingskanaal aangegeven waarin van de linker-25 zijde van het vlak van tekening een stroom gas geladen met stofdeeltjes stroomt. Het stromingskanaal 28 is aan de onderzijde voorzien van een intree venster 29, waardoor de triggerbundel 3 en de meetbundel 2 binnen treden. Aan de rechterzijde van het stromingskanaal 28 bevindt zich een detectievenster 30 waarachter zich de onderling evenwijdige detectie optiek en coïncidentie apparatuur van de 30 figuren 3 en 4 bevinden.

Van de triggerbundel 3 en de meetbundel 2 zijn dik aangegeven, de gedeelten waarvan de doorgaande deeltjes geteld worden. De hoogte van deze dik aangegeven cilinder 31 van de triggerbundel 3 en de gehalveerde cilinder 32 van de meetbundel wordt bepaald door het diafragma 10, weergegeven in figuur 3.

35 Het diafragma 10 bepaalt de hoogte en hiermede het samenhangende bemonsterde volume waarvan de deeltjes geteld worden.

800 34 29 008 Ned. 13.6.1980.

' i / - 7 -

De meetbundel 2 is door het in figuur 1 met 7 aangegeven optische mes gehalveerd. De aanwijzingen gegeven door de MCA aangegeven met 12 in figuur 4 en eventueel verdere electronische apparatuur kunnen volgens op zichzelf bekende methoden geijkt worden ten opzichte van model aerosolen met bekende gedefini-5 eerde deeltjesgrootte en concentratie.

Voor andere fluida kan men voor de ijking toepassen in hoofdzaak mono disperse solen die tijdens het ijken met bekende deeltjes concentratie en bekende snelheid door het meetkanaal stromen.

80034 29 008 Ned. 13.6.1980.

Claims (8)

1. Werkwijze voor het meten van het aantal en de grootte van deeltjes in een stromend fluïdum, met behulp van een laserbundel door deze bundel op te splitsen in twee bundels die door het fluidum gestuurd worden en vervolgens de verstrooide straling van de door de bundels getroffen deeltjes 5 op te vangen, te detecteren en te registreren, met het kenmerk, dat men a) de laserbundel splitst in een eerste meetbundel die ten opzichte van de stromingsrichting van het fluidum wordt voorafgegaan of gevolgd door een tweede, smallere meetbundel, die in hoofdzaak evenwijdig loopt met de eerste bundel zodanig dat de hartlijnen van de beide bundels in ëën vlak 10 liggen; b) het door de deeltjes verstrooide licht van de eerste bundel en het door de deeltjes verstrooide licht van de tweede bundel elk afzonderlijk detecteert en in een impuls omzet; c) de impuls veroorzaakt door de deeltjes in de tweede bundel gebruikt als 15 coïncidentie-signaal voor de impuls veroorzaakt door dezelfde deeltjes in de eerste bundel.

2. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 1, in hoofdzaak bestaande uit een laserbron, middelen om een uit deze bron komende stralingsbundel te splitsen in twee bundels, middelen om deze bundels 20 te sturen door een stromend fluidum, waarin zich deeltjes kunnen bevinden en detectiemiddelen en door de deeltjes verstrooide straling op te vangen, te detecteren en te registreren, met hét kenmerk, dat a) de middelen ( 1 ) die de laserbundel splitst in twee bundels (2,3), zodanig zijn ingericht dat een eerste meetbundel ( 2 ) ontstaat die ten 25 opzichte van de stromingsrichting van het fluidum wordt voorafgegaan of gevolgd door een tweede, smallere meetbundel die in hoofdzaak evenwijdig loopt met de eerste bundel ( 2 ), zodanig dat de hartlijnen (4,5),van de beide bundels in ëën vlak liggen; b) detectiemiddelen ( 6 ) aanwezig zijn om het door de eerste bundel 30 ( 2 ) en door de tweede bundel ( 3 ) verstrooide licht elk afzonderlijk op te vangen, te detecteren en in een impuls om te zetten; c) middelen aanwezig zijn om de impulsen veroorzaakt door de eerste bundel ( 2 ) om te zetten in een geregistreerd optisch signaal, waarbij de imr pulsen veroorzaakt door de tweede bundel ( 3 ) gebruikt worden als coïnci- 8003429

008 Ned. 13.6.1980. - 9- dentiesignaal bij het omzetten van de impulsen veroorzaakt door de eerste bundel in het optische signaal.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de meetbundel (2) in de richting van de stromingsrichting van het fluïdum een kleinere 5 dwarsdoorsnede heeft dan looprecht hierop,

4. Inrichting volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de eerste meetbundel (2) de vorm van een halve rechte cirkelcilinder heeft.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat een mes of diafragma (7) aanwezig is om de vorm van de eerste meetbundel (2) te bepalen.

6. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 5, met het kenmerk, dat één of meer instelbare lenzen (8, 9) aanwezig zijn, waarmede de eerste meetbundel (2) en de tweede meetbundel (3) focusseerbaar zijn.

7. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 6, met het kenmerk, dat deze zodanig gedimensioneerd is dat bij een gassnelheid van omstreeks 15 200 meter per seconde de tweede bundel (3) een diameter van _1_ - 3 mm heeft, 4 ' de tweede bundel een diameter van 0,5 - 5 mm heeft en de afstand tussen de middelpunten van de tweede bundel en het middelpunt van de eerste bundel 0,5 tot 6 mm bedraagt.

8. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 7, met het kenmerk, dat een optische afbeeldingssysteem (17) voor het verstrooide licht aanwezig is met een instelbaar diafragma (10).

9. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 8, met het kenmerk, dat in het scheidingssysteem (11) dat de verstrooide intensiteiten van 25 beide bundels (2, 3) scheidt voor de uiteindelijke detectie een interferentie filter (18) aanwezig is.

10. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 9, met het kenmerk, dat in het detectie systeem voor de door de meetbundels verstrooide straling een versterker aanwezig is met een hoog dynamisch bereik (0,5 m V - 20 V) 30 en een hoge bandbreedte (0-2000 k Hz).

11. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 10, met het kenmerk, dat in het detectie systeem voor de door de tweede bundel verstrooide straling, een spanningsvergelijker (voltage comparator) aanwezig is.

12. Inrichting volgens elk van de conclusies 6 t/m 10, met het kenmerk, 35 dat een meerkanaal-analysator (MCA) (12) aanwezig is, waarmede zowel het detectie-circuit (13) van de tweede bundel (3) als het detectie-circuit (14) 800 34 29 » V . - 10- van de eerste bundel (2) aangesloten zijn en in het circuit van de tweede bundel een vertrager en een poort aanwezig zijn.

13. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de vertrager (15) en de poort (16) monostabiele multi-vibratoren zijn.

14. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 13, met het kenmerk, dat een 5W argon-ion laser wordt toegepast (λ * 515,4 nanometer).

15. Inrichting volgens elk van de conclusies 2 t/m 14, met het kenmerk, dat de detectie apparatuur onder een hoek van omstreeks 90° met de laserbron geplaatst is in een (sterk) lichtgevende omgeving als bijvoorbeeld een blow- 10 down MHD experiment.

16. De uitvinding als weergegeven in de beschrijving en in de bijbehorende tekeningen. 800 34 29

008 Ned. 13.6.1980.