NO164441B - Laser-doppler-apparat til bestemmelse av stoerrelsen av bevegelige sfaeriske partikler i en fluidumstroem. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et laser-dopplerapparat til å bestemme størrelsen av bevegelige sfæriske partikler i en fluidumstrøm, omfattende en laserstrålegenerator for å skaffe to romlig adskilte laserstråler, fokuseringsorganer som fokuserer laserstrålene slik at fokuseringsstrålene i et fokuseringsplan krysser hverandre under en gitt vinkel i et krysningspunkt i et målevolum som blir passert av en del av fluidumstrømmen, fotoelektriske detektororganer for detektering av den spredte utstråling som bevirkes av de av en bevegelig partikkel i fluidumstrømmen frembragte spredte stråler i romlige forskjellige posisjoner utenfor målevolumet og for å skaffe elektriske signaler som en reaksjon derpå og signal-behandlingsorganer til bestemmelse av partikkelstørrelsen på gunnlag av de elektriske signaler, hvor detektororganene omfatter to måledetektorer og organer til å innstille detektorene i romlige posisjoner, hvor de i et detekteringsplan liggende stråleretninger fra nevnte krysningspunkt til måledetektorene oppviser en til en foreskreven maksimal partikkelstørrelse svarende vinkelavstand for mottagelse av spredningsstråler fra den bevegelige partikkel i form av dopplersignaler med forskjellig fase for de to måledetektorer, idet signalbehandlingsorganene omfatter organer til å kombinere signalene fra de to måledetektorer for frembringelse av et resulterende fasedifferansesignal (Stø)

I forbindelse med optiske målemetoder til å bestemme størrelsen av bevegelige partikler i en fluidumstrøm ved bruk av f.eks. laserstråling,_kan målingen finne sted uten fysisk forstyrrelse av målemediet i et lite romvolum, målevolumet, som blir passert av fluidumstrømmen eller en del av denne og er definert ved krysningen mellom to innkommende laserstråler på den ene side og ved lokalisering i synsfeltet for en optisk detektor på den annen side. Dessuten kan målingen utføres i virkelig tid ved en høy datainnsamlingshastighet og med en mulighet for å få samtidig informasjon om størrelsen og hastigheten for bevegelige mikroelementer i fluidumstrømmen.

Slike mikroelementer kan ha form av massive•partikler, smådråper i gasser eller gassbobler i væsker, og i det følgende vil alle tre sorter være å betrakte som omfattende av be-tegnelsen "partikler".

De fremgangsmåter som hittil er blitt brukt for optisk bestemmelse av partikkelstørrelse, har- hovedsakelig vært basert på måling av intensiteten av den spredte utstråling fra en partikkel som passerer målevolumet. Imidlertid er romfunksjonen av den spredte utstråling fra små partikler en komplisert funksjon av retningen av spredningsstrålingen i forhold til retningen for den innkommende stråling, polari-ser ingsretningen for strålingen og størrelsen, formen og materialet til partikkelen.

I den hensikt å redusere denne kompleksitet er det foreslått bl.a. å måle intensiteten av den spredte utstråling samtidig i to eller flere retninger eller måle den totale intensitet innenfor en romvinkel i en retning normalt"på

det innkommende lys.

Videre er der kjent målemetoder for optisk måling av partikkelstørrelse, som er basert på detektering av forskjellige egenskaper hos såkalte laser-doppler-signaler.

For måling av hastigheten av partikler i et strømmende medium er det således velkjent å måle dopplerforskyvningen for frekvensen av den spredte laserutstråling fra den bevegelige partikkel. Generelt er dette prinsipp for måling av strømnings-hastighet baert på måling av forskjellen mellom dopplerforskyv-ningene for spredt utstråling fra to forskjellige laserstråler som krysser hverandre under en gitt vinkel i målevolumet, idet de to stråler av spredt utstråling blir påvirket til samtidig å falle inn mot overflaten av en fotodetektor i et overlappende forhold. Derved blir di fferansefrekvensen mellom de to doppler-skiftede utstrålingsfrekvenser dannet, og denne differansefrekvens er direkte proporsjonal med hastighetskomponenten

av partikkelen normalt på halveringslinjen for de to innfallende stråler i planet for de innfallende stråler.

I tillegg til informasjonen om hastigheten av en bevegelig partikkel tilknyttet frekvensen omfatter også et dopplersignal informasjon om andre egenskaper hos partikkelen, f.eks. størrelsen, og forskjellige fremgangsmåter er derfor blitt foreslått for fremskaffelse av informasjon fra doppler-signaler vedrørende størrelsen av bevegelige partikler. Således går en forholdsvis enkel tidligere kjent fremgangsmåte ut på måling av amplituden av et lavpassfiltrert dopplersignal.'.

Fra en artikkel av W. M. Farmer, "Measurement of Particle Size, Number Density and Velocity Using a Laser Interferometer", i Applied Optics, vol. 11, november 1972, side 2603-2612,

er der kjent den såkalte visibilitetmetode som er basert på utnyttelsen av det forhold at dybden av modulasjonen av det målte dopplersignal vil være avhengig av størrelsen av den bevegelige partikkel i forhold til avstanden mellom parallelle interferensplan i krysningsregionen mellom de innkommende stråler. Ved denne metode blir den såkalte visi-bilitetsfaktor bestemt som forholdet mellom en høypassfiltrert del og en lavpassfiltrert del av dopplersignalet. Imidlertid er målemetoden i sin opprinnelige form som beskrevet i den ovennevnte artikkel, begrenset til spredt utstråling, som hovedsakelig var et resultat av diffraksjon i halveringsplanet mellom de to innkommende stråler.

En senere utvikling av dette teoretiske underlag har

ført til et apparat kjent fra US-A 4.329.054 for måling av den spredte utstråling fra sfæriske smådråper i gasser i en retning som danner en vinkel med halveringsplanet hvor den spredte utstråling blir hovedsakelig bevirket av brytning i en dråpe eller refleksjon fra dennes overflate.

Ved en videreutvikling av dette teoretiske underlag

er det bekjentgjort i en forelesning som er publisert av F. Durst og M. Zaré: "Laser Doppler Measurements in Two-Phase Flows", Proceedings of the LDA-Symposium, København 1975,

side 403-429, at et dopplersignal fr.a en dråpe i en gasstrøm vil omfatte et faseledd, avhengig av dråpens radius såvel som retningen til detektoren og dennes apertur.

I et senere teoretisk og eksperimentelt arbeid av

Franz Durst "Review - Combined Measurements of Particle Velocities, Size Distributions, and Concentrations" i Transactions of the ASME, vol. 104, september 1982, side 284-296, beskrives egenskapene ved laserstråling som spres fra store bobler i vann eller store reflekterende lege-

mer i gass. Derved er det blitt demonstrert at ved bestråling av et slikt legeme med to laserstråler, slik det gjøres i forbindelse med et vanlig laser-doppler-anemome-ter, blir der dannet interferensstriper i området rundt legemet på grunn av faseforskjeller mellom de spredte utstrålinger

fra de to innkommende stråler mot et felles observasjons-punkt. Derved er det blitt demonstrert at faseforskjellen mellom utstrålinger som er spredt i retning forover og bakover i forhold til midtlinjen for de to innkommende stråler, vil inneholde informasjon om det spredende sfæriske legemes radius. Imidlertid vil de resultater som er funnet derved/ bare finne anvendelse ved forholdsvis store legemer og bare for spredt utstråling i retninger fremover og bakover. Videre vil fase-informasjonen inneholde en flertydighet som reduserer eller fullstendig utelukker muligheten for utnyttelse av de resultater som er funnet i måleinstrumenter for praktiske formål.

Mens de ovenfor omtalte, hittil foreslåtte fremgangsmåter hovedsakelig er basert på teoretiske betraktninger og viten-skapelige eksperimentelle verifikasjoner av disse og dessuten enten har basert seg på måling av utstrålingsintensiteten i interferensmønstre eller er blitt begrenset for den sist-nevnte sanne laser-doppler-metode til måling av forholdsvis store partikler og har vært beheftet med en flertydighet i størrelsesinformasjonen, så er det en hensikt med oppfinnelsen å skaffe en konstruksjon av et laser-doppler-apparat som egner seg for praktiske måleinstrumenter, hvorved utve-tydig informasjon kan oppnås om størrelsen av bevegelige partikler i en fluidumstrøm innenfor et kontrollerbart variasjonsområde av partikkelstørrelser for partikkeldimensjoner helt ned til en størrelsesorden svarende til bølgelengden for laserutstrålingen.

Ifølge oppfinnelsen er et laser-doppler-apparat av den art som er omtalt ovenfor karakterisert ved organer til fraseparering av resulterende fasedifferansesignaler som skriver seg fra en faseforskjell mellom dopplersignalene for de to måledetektorer som overskrider 2n.

I det følgende vil oppfinnelsen bli ytterligere forklart under henvisning til den skjematiske tegning, hvor

Fig. 1 er en prinsippskisse av et vanlig laser-doppler-apparat av den art som benyttes til måling av strømningshastig-het i en fluidumstrøm,

fig. 2 er et rom-koordinatsystem med vektorer for de fokuserte laserstråler som faller inn i målevolumet i apparat-konstruksjonen på fig. 1, såvel som den spredte utstråling i måleretningen mot et detektororgan,

fig. 3 er et fasediagram for den spredte utstråling,

fig. 4 er et prinsippskjerna svarende til det på fig.

2 for å anskueliggjøre en mulig plassering av detektororganer såvel som konstruksjonen av signalbehandlingskretser i et laser-doppler-apparat i henhold til oppfinnelsen, og

fig. 5 er en mulig praktisk utførelsesform for oppset-tingen av laseroptikk og detekteringsorganer i et laser-doppler-apparat i henhold til oppfinnelsen.

På fig. 1 er der vist de optiske deler av et laser-doppler-arrangement av den art som benyttes i et vanlig laser-doppler-anemometer til måling av strømningshastighet for et fluidum. En utgående stråle 2 fra en laser 1 blir separert i en strålesplitter 3 til to parallelle utgående stråler 4 og 5, som kan ha samme bølgelengde, dvs. frekvens, eller være forskjøvet med hensyn til frekvens på en måte som er i og for seg kjent, f.eks. med en Bragg-celle i en av stråle-banene.

Ved passering gjennom fokuserende optikk 6, som er vist på figuren som en eneste linse, vil strålene 4 og 5 bli avbøyet til to konvergerende stråler 7 og 8, som blir fokusert, dvs. bragt til å krysse hverandre i en begrenset romregion 9 som utgjør apparatets målevolum. Ved praktisk bruk av apparatet er arrangementet konstruert og posisjonert slik at målevolumet 9 vil bli lokalisert i en fluidumstrøm som innbefatter bevegelige partikler, av hvilke bare en er vist ved 10, slik at en del av denne strøm blir bevirket til å passere målevolumet 9.

I målevolumet 9 vil de innkommende laserstråler 7 og

8 som krysser hverandre, gi opphav til spredt utstråling fra en partikkel som beveger seg gjennom målevolumet 9, og i forbindelse med et vanlig anemometerarrangement blir den spredte utstråling i en gitt refleksjonsretning 11 detektert ved hjelp av en fotodetektor 12 med en tilhørende apertur 13 og detektoroptikk innbefattende en linse 14 og et synsfelt-begrensningsorgan 14a, f.eks. et nålehull. Fotodetektoren 12 er forbundet med et elektrisk signalbehandlingsorgan i apparatet.

Måleprinsippet i forbindelse med et apparat som vist på:fig. 1, er basert på måling av forskjellen mellom doppler-frekvensskiftene i de spredte stråler fra den bevegelige partikkel som er forårsaket av de to innkommende laserstråler 7 og 8. Ved at man lar disse to spredte laserstråler innfalle samtidig på en fotodetektor, blir differansefrekvensen mellom de to doppler-forskjøvede frekvenser for de spredte laserstråler dannet, og denne differansefrekvens er direkte proporsjonal med hastighetskomponenten for den bevegelige partikkel ved rette vinkler i forhold til halveringslinjen mellom de to innkommende stråler 7 og 8 og posisjonert i planet for disse stråler, dvs. i papirplanet på fig. 1.

Slik det vil bli forklart mer inngående i det følgende, er den foreliggende oppfinnelse basert på erkjennelsen av det forhold at det således detekterte dopplersignal foruten å inneholde informasjon om hastigheten av en bevegelig partikkel gitt ved signalets frekvens, også inneholder informasjon om partikkelens størrelse.

Fordi en fotodetektor ved den oppstilling som er vist

på fig. 1 kan utgjøres av en fotomultiplikator med kvadratisk karakteristikk, kan den resulterende fotostrøm som utgjør detektorens utgangssignal, uttrykkes ved

hvor E^(t) og E2(t) er de optiske felter for de sprednings-strålebunter fra en bevegelig partikkel som skriver seg fra den ene eller annen av de to innkommende laserstråler 7 og 8 på fig. 1. Denne fotostrøm vil omfatte et d.c.-ledd og et a.c.-ledd, idet a.c.-leddet omfatter differansefrekvensen mellom frekvensene fj_ og f2 for de strålefelter som faller inn på detektoren, dvs.

I et vektordiagram som vist på fig. 2 hvor k^ og k2 angir bølgevektorene for de to innkommende laserstrålebunter 7 og 8 og 6 er vinkelen mellom disse stråler, kan dopplerfrekvensen fD uttrykkes ved

hvor u er hastighetsvektoren for den bevegelige partikkel,

X laserstrål ingens bølgelengde og u komponenten av hastighetsvektoren u vinkelrett på halveringslinjen mellom laserstrålene 7 og 8, dvs. i x-retningen i det romlige koordinatsystem på fig. 2.

I en forenklet uttrykksform kan dopplerfrekvensen f oppfattes som et resultat av den bevegelige partikkels passasje gjennom et sett av parallelle interferensplan beliggende i det målevolum som er begrenset av krysningsområdet mellom laserstrålene 7 og 8 og bestående av områder med avvekslende lys og mørke.

Denne beskrivelsesmåte er imidlertid bare gyldig for

en partikkel som er så liten at den kan oppfattes som et punkt i forhold til avstanden mellom interferensplanene. Dersom størrelsen av partikkelen nærmer seg avstanden mellom interferensplanene, opptrer der interferensvirkninger ved kombinasjonen av spredningsstråler fra forskjellige områder av partikkelen, noe som vil forårsake en faseforskyvning av dopplersignalet.

Som et eksempel på dette vil et viktig spesialtilfelle bli beskrevet i det følgende, hvor spredningsstrålingen fra en bevegelig sfærisk partikkel blir betraktet som utgående fra to punkter på partikkelens overflate. Eksempelet er beskrivende for de fysiske forhold ved måling av sfæriske partikler i form av dråper i luft eller bobler i vann, men kan på enkel måte utvides til mer kompliserte partikkelformer, dersom bare spredningsforholdene er kjent.

I koordinatsystemet vist på fig. 2 betegner L1 og L2

de i X-Z-planet liggende akser for de innkommende laserstrålebunter, svarende til strålene 7 og 8 på fig. 1, idet disse stråler kan beskrives ved bølgevektorer k_1 og k_ 2 som danner vinklene +0/2 og -0/2 med Z-aksen. Spredningsstrålingen mot en detektor er angitt ved bølgevektoren kg hvis retning er :•, definert ved vinkelen cp i Y-Z-planet og vinkelen ¥ fra Y-

Z-planet til vektoren k Ved det ovennevnte spesialtilfelle ved måling på bobler i væske kan vinkelen cp med fordel velges til ca. 98°, idet refleksjonen fra en bobleoverflate i disse retninger er dominerende i forhold til sprednrngsstrålene som har passert gjennom boblen.

Ved refleksjon på overflaten av en sfærisk partikkel som antas å ha sitt senter i midtpunktet av koordinatsystemet vist på fig. 2, vil hver av strålene L.. og L2 gi opphav til en spredningsstråle i retning for vektoren kg.

For de innkommende stråler med retninger svarende til vektorene k^ og k_2 kan innfallsvinklene i^ og i2 for reflek-sjonspunktene som ikke er vist på fig. 2, og som gir opphav til spredningsstråler med en retning svarende til vektoren k , dvs. vinkelen mellom den innfallende aktuelle stråle

—s

og radiusvektoren i det sfæriske koordinatsystem til reflek-sjonspunktet uttrykkes ved

hvor vektorene k^ , k_2 og kg ved det viste koordinatsystem har koordinatene hvorved man for vinklene i, og i2 får følgende uttrykk ■ J ■ •■ r i For spredningsstrålene med en retning svarende til vektoren ks som skriver seg fra hver av de innfallende stråler med retninger svarende til vektorene henholdsvis k1 og k^, vil fasene således være

hvor 0Q er fasen for en spredningsstråle som fremkommer ved en innkommende stråle i et plan gjennom senteret for den bevegelige partikkel, dvs. i X-Z-planet på fig. 2.

Ved detektering med en detektor anordnet i fjernfeltet

i retning for vektoren kg oppnås dopplerfrekvensen som diffe-ransfrekvensen mellom de to spredningsstråler som skriver seg fra innfallende stråler med retninger svarende til vektorene k^ og k_2. Dette dopplersignal vil ha en fase

For det ovennevnte spesialtilfelle viser fig. 3 et fasediagram for fasen $ som funksjon av innstillingsvinklene cp og f for en detektor. Kurvene i diagrammet danner ekvifase-linjer for bestemmelse av verdiene av cp og ¥ i romlige posisjoner hvor dbpplersignalene vil ha samme fase.

Dersom måledetektorene 17 og 18 og referansedetektoren

19 er plassert slik som det fremgår av fig. 4, at stråleretningene til disse detektorer ligger i et detekteringsplan inneholdende den på vinkelhalveringslinjen mellom de innfallende laserstråler 15 og 16 vinkelrette linje gjennom strålenes krysningspunkt, dvs. X-aksen i koordinatsystemet på fig. 2, vil det ses ut ifra fasediagrammet på fig. 3 at betingelsen for et entydig resulterende fasedifferansesignal for måledetektorene 17 og 18 svarende til en entydig bestemmelse av en partikkelstørrelse under den foreskrevne maksimale partikkelstørrelse svarende til måledetektorenes plassering, vil være at fasereferansesignalet $ K er mindre enn eller lik 2Tf/n, hvor n er forholdet mellom vinkelavstanden a mellom stråleretningene til måledetektorene 17 og 18 og vinkelav- ; standen a/n mellom stråleretningene til referansedetektoren

19 og den med denne samvirkende måledetektor.

Til realisering av den ovennevnte utvetydighet, dvs. separering av fasedifferansesignalene fra måledetektorene 17 og 18, som utgjør uttrykk for en fasedifferanse over 2n, kan signalbehandlingsorganene i henhold til oppfinnelsen,

slik det fremgår av fig. 4, omfatte et første fasemåleorgan 20 som er forbundet med de to måledetektorer 17 og 18 til bestemmelse av faseforskjellen mellom de dopplersignaler som blir mottatt av disse detektorer og et annet fasemåleorgan 21 som er forbundet med referansedetektoren 19»og den ene måledetektor 17 til bestemmelse av fasedifferansen mellom dopplersignaler mottatt av disse detektorer. Til utgangen fra det annet fasemåleorgan 21 kan der være forbundet en vurderingskrets 22 til bestemmelse av hvorvidt fasereferansesignalet $D oppfyller de ovennevnte betingelser.

Til vurderingskretsen 22 og det første fasemåleorgan

20 er der forbundet en logikkrets 23 som bare som reaksjon på et påvirkningssignal fra vurderingskretsen 22, når den ovennevnte betingelse er oppfylt, overfører det resulterende fasedifferansesignal $M fra det første fasemåleorgan 20 til en partikkelstørrelsesanalysator 24 som kan være innrettet til for en undersøkt fluidumstrøm å beregne såvel fordelingen av partikkelstørrelser under den foreskrevne maksimale størrelse svarende til en gitt justering av måledetektorene som den absolutte konsentrasjon, f.eks. mengde pr. tidsenhet av partikler under nevnte maksimalstørrelse.

Ved hjelp av fasemåleorganene 20 og 21 og vurderingskretsen 22 som er forbundet dertil, såvel som logikkretsen 23 i diagrammet på fig. 4, vil ethvert resulterende fase-dif feransesignal 3>M for hvilket det i vurderingskretsen 22 ved hjelp av f aseref eransesignalet 4>r er blitt konstatert at det skriver seg fra en f asedif f eranse som overskrider 2tt mellom dopplersignalene for måledetektorene 17 og 18, bli fraseparert uansett årsaken hertil. Som allerede nevnt, kan årsaken til detekteringen av en fasedifferanse som overskrider 2tt først og fremst være spredningsstrål ing fra en partikkel som overstiger den foreskrevne maksimale partikkelstørrelse svarende til den aktuelle innstilling av vinkelavstanden a mellom måledetektorene 17 og 18. En faseforskjell på mer - enn 2tt kan imidlertid også skyldes spredningsstråling fra en partikkel med en form som avviker vesentlig fra den sfæriske. I praksis vil dette tilfelle forekomme dersom der i en gass-eller væskestrøm som undersøkes for sfæriske partikler i form av henholdsvis dråper og bobler, også forekomme faste partikler med varierende form.

For å kunne skjelne mellom de to nevnte årsaker til

en faseforskjell på mer enn 2v, mellom dopplersignalene til måledetektorene 17 og 18 med hensyn til å oppnå informasjon om forekomsten av faste partikler i den undersøkte fluidum-strøm, kan der ifølge et særlig trekk ved oppfinnelsen benyttes en ytterligere referanse-detektor 25 som er slik plassert i en romlig posisjon at den for en sfærisk partikkel vil motta et dopplersignal med samme fase som den ene av måledetektorene, f.eks. detektoren 17. I fasediagrammet på fig. 3 svarer det til at dopplersignalet for detektoren 25 skal befinne seg på samme ekvifaselinje som dopplersignalet for detektoren 17.

Signalet fra detektoren 25 føres nå sammen med signalet fra måledetektoren 17 til et tredje fasemåleorgan 27 for frembringelse av et fasesammenligningssignal $_,. Dette fasesammenligningssignal blir ført til en vurderingskrets 28

som skiller ut fasesammenligningssignaler $^ med den resulterende fase 0, dvs. som skriver seg fra detektering av sfæriske partikler. Utgangssignaler fra vurderingskretsen 28 som på denne måte oppfyller betingelsen <J>C yé 0, svarende til detektering av en partikkel med ikke-sfærisk form, blir ført til partikkelstørrelses-analysatoren 24 for opplysning om innholdet av slike faste partikler i den undersøkte fluidum-strøm.

For å utføre en kvantitativ partikkelanalyse i analysa-toren 24, kreves der foruten oppsamling av data om partikkel-størrelser og -størrelsesfordelinger, opplysning om hastigheten av den undersøkte fluidumstrøm. En slik hastighetsinformasjon kan man oppnå på en kjent måte ved at der til en av detektorene, f.eks. måledetektoren 18, blir forbundet en doppler-frekvensanalysator 29, fra hvilken hastighetsinformasjonen blir ført til partikkelstørrelses-analysatoren 24.

På fig. 5 er der vist en praktisk utførelsesform for optiske deler som inngår i et laser-doppler-apparat ifølge oppfinnelsen. ■

På en stabil optisk benk 30 er der montert en laser

31, en strålesplitter 32 og en fokuseringsenhet 33 med en fokuserende frontlinse 35 ved hjelp av hvilken laserstråler 36 og 37 bringes til å krysse hverandre i et målevolum 38

i en rørledning 39 som gjennomstrømmes av den fluidumstrøm som ønskes undersøkt og de bevegelige partikler 40 som bæres av strømmen. Til styring av krysningsvinkelen 0 mellom de fokuserende laserstråler 36 og 37 og derved innstillingen av målevolumet og det aktuelle variasjonsområde for partikkel-størrelser er der til strålesplitteren 32 på i og for seg kjent måte forbundet justeringselementer til regulering av avstanden mellom de parallelle delstråler som forlater strålesplitteren.

En holder for to måledetektorer 41 og 42 og en referanse-detektor 43 omfatter to oppragende stolper 44 og 45 som kan forskyves på den optiske benk 30, samt monteringsplater 46, 47 og 48 for detektorene henholdsvis 41, 42 og 43, idet mon-ter ingsplatene er forbundet med stolpene 44 og 45 på en slik måte at de hver for seg kan forskyves i retning vinkelrett på den optiske benk 30, dvs. parallelt med vinkelhalveringslinjen for laserstrålene 36 og 37.

I hver av monteringsplatene 46, 47 og 48 er dessuten

den aktuelle detektor montert slik at den kan forskyves i tverretningen vinkelrett på stolpene 44 og 45, dvs. vinkelrett på vinkelhalveringslinjen mellom strålene 36 og 37.

Den pa fig. 5 viste utgangsstilling av detektorene 41-

43 svarer i diagrammet på fig. 4 til en plassering av detektorene i et plan vinkelrett på fokuseringsplanet inneholdende strålene 36 og 37 og skjærende dette plan i vinkelhalveringslinjen mellom strålene, dvs. svarende til Y-Z-planet på fig. 2. Innstillingen kan nå utføres f.eks. på den måte at med referansedetektoren 43 holdt i utgangsstillingen på monterings-platen 48 kan måledetektoren 41 forskyves til den ene side

i forhold til utgangsstillingen, og måledetektoren 42 til

den annen side, i forhold til utgangsstillingen.

I diagrammet på fig. 4 vil denne innstilling svare til

en dreining av detekteringsplanet fra den ovennevnte utgangs-

stilling, Y-Z-planet på fig. 2, til en skrå stilling hvor detekteringsplanet i forhold til utgangsstillingen er dreiet en vinkel om stråleretningen til referansedetektoren 43. Med den viste utførelse kan denne dreiningsvinkel f.eks. være opp til 45°, men selv om detekteringsplanet derved ikke når den på fig. 4 viste stilling, som er benyttet som grunnlag for forklaringen av signalbehandlingen, endrer dette ikke ved detekteringsprinsippet, idet de tre detektorer 41-43 fremdeles blir innstilt til romlige posisjoner hvor de mottar dopplersignaler innenfor ett og samme fasebånd i fasediagrarnmet på fig. 3 for en foreskreven maksimal partikkelstørrelse.

Innstillingen til et ønsket partikkelstørrelses-variasjonsområde kan bli utført ved en kombinasjon av lengdeforskyvning av detektorholderne med stolpene 44 og 45 på den optiske benk 30, innbyrdes forskyvning av detektor-monteringsplatene 46-48 i forhold til stolpene 44 og 45 og den ovenfor beskrevne forskyvning av måledetektorene 41 og 42 på monteringsplatene 46 og 47 for dreining av detekteringsplanet .

Som det vil fremgå av det foregående, blir en justering til en mindre maksimal partikkelstørrelse utført ved å foreta innstillingen slik at vinkelavstanden mellom detekterings-stråleretningene til måledetektorene 41 og 42 økes, dvs.

å la stolpene 44 og 45 komme nærmere fokuseringsenheten 33, øke den innbyrdes avstand mellom monteringsplatene 46-48

og øke forskyvningen av detektorene 41 og 42 på monteringsplatene 46 og 47 i forhold til den viste utgangsstilling.

I motsetning hertil vil en innstilling til en større maksimal partikkelstørrelse bli utført på en slik måte at vinkelavstanden mellom detekterings-stråleretningene til måledetektorene 41 og 42 reduseres, dvs. ved fjerning av detektorholderen med stolpene 44 og 45 fra fokuseringsenheten 33, redusering av den innbyrdes avstand mellom monteringsplatene 46-48 og/eller reduksjon av forskyvningen av detektorene 41 og 42 på monteringsplatene 46 og 47.

På denne måte er det mulig å foreta innstilling av apparatet innen et meget stort variasjonsområde av partikkel-størrelser, f.eks. til detektering av partikler helt ned til en størrelsesorden svarende til laserstrålingens bølge-lengde og opp til en flere tusen ganger større partikkel-diameter.

Den utførelsesform av apparatet som er vist på fig.

5, og som svarer til diagrammet på fig. 4, kan suppleres med en ytterligere referansedetektor til bruk ved detektering av faste partikler og apparatets ikke viste signalbehandlings-krets som ikke er vist og som detektorene er forbundet med via en kabel 49, kan være utformet som forklart under henvisning til fig. 4.

Claims (7)

1. Laser-doppler-apparat til bestemmelse av størrelsen av bevegelige sfæriske partikler i en fluidumstrøm, omfattende en laserstråle-generator (1,3,31,32) for å skaffe to romlig adskilte laserstråler (4,5), fokuseringsorganer (6) som fokuserer laserstrålene slik at de fokuserte stråler (7,8;

15,16,36,37) i et fokuseringsplan (X,Z) krysser hverandre under en gitt vinkel (9) i et krysningspunkt i et målevolum (9,38) som passeres av en del av fluidumstrømmen, fotoelektriske detektororganer til detektering av de av en bevegelig partikkel (10) i fluidumstrømmen frembragte spredningsstråler i romlige forskjellige posisjoner utenfor målevolumet (9,38) og for å skaffe elektriske signaler som en reaksjon derpå, og signal-behandlingsorganer til bestemmelse av partikkelstørrelsen på grunnlag av de elektriske signaler, hvor detektororganene omfatter to måledetektorer (17,18; 41,42) og organer til å innstille detektorene i romlige posisjoner, hvor de i et detekteringsplan liggende stråleretninger fra nevnte krysningspunkt til måledetektorene (17,18; 41,42) oppviser en til en foreskreven maksimal partikkelstørrelse svarende vinkelavstand for mottagelse av spredningsstråler fra den bevegelige partikkel i form av dopplersignaler med forskjellig fase for de to måledetektorer (17,18; 41,42), idet signalbehandlingsorganene omfatter organer til å kombinere signalene fra de to måledetektorer (17,18; 41,42) for frembringelse av et resulterende f asedif feransesignal {^) , karakterisert ved organer til fraseparering av resulterende fasedifferansesignaler som skriver seg fra en faseforskjell mellom dopplersignalene for de to måledetektorer (17,18; 41,42), som overskrider 2n.

2. Laser-doppler-apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at de nevnte frasepareringsorganer omfatter en referansedetektor (19, 43) for hvilken stråleretningen fra nevnte krysningspunkt ligger i detekteringsplanet mellom stråleretningene til de to måledetektorer, og at signalbehandlings-organene omfatter organer til å kombinere signalet fra referansedetektoren (19) og signalet fra den ene måledetektor (17) for frembringelse av et fasereferansesignal ($R) til indiker ing av om et resulterende fase-dif feransesignal (Gtø) fremkommer fra en f asef orskj ell mellom dopplersignalene for de to måledetektorer {17, 18) som overstiger 2 TT .

3. Laser-doppler-apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at kombinasjonsorganene i signalbehandlingsorganene omfatter et første fasemåleorgan (20) forbundet med de to måledetektorer (17, 18), et annet fasemåleorgan (21) forbundet med referansedetektoren (19) og den ene måledetektor (17)-, en vurderingskrecs (22) som er forbundet med det annet fasemåleorgan (21) og en logikkrets (23) som er forbundet med vurderingskretsen (22) og nevnte første fasemåleorgan (20) for overføring av et resulterende fase-dif feransesignal ($M) fra det første fasemåleorgan til en partikkelstørrelses-analysator (24) som reaksjon på et påvirkningssignal fra vurderingskretsen (22), og at vurderingskretsen (22) er innrettet til å frembringe nevnte påvirkningssignal bare når fasereferansesignalet (0o) fra det annet fasemåleorgan (21) er mindre eller lik 2Tf/n, hvor n er forholdet mellom vinkelavstanden (a) mellom stråleretningene i detek-ter ingsplanet til måledetektorene (17, 18) og vinkelavstanden (a/n) mellom stråleretningene i detekteringsplanet til henholdsvis referansedetektoren (17) og den nevnte ene måledetektor (17).

4. Laser-doppler-apparat som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at detekteringsorganene omfatter en.ytterligere referansedetektor (25) og organer til å innstille denne detektor til en romlig posisjon, hvor stråleretningen til den fra nevnte krysningspunkt ligger utenfor detekteringsplanet for stråleretningene til de øvrige detektorer (17, 18, 19) og i en slik stilling i forhold til stråleretningene til en av de øvrige detektorer (17) at den ved spredningsstråling fra en sfærisk partikkel vil motta et dopplersignal med samme fase som nevnte ene detektor (17), og at signalbehandlingsorganene omfatter organer til å kombinere signalene fra den ytterligere referansedetektor (25) og nvnte ene måledetektor (17) til frembringelse av et fasesammenligningssignal ($c) og avgivelse av et utgangssignal når fasesammenligningssignalet ($c) svarende til detekteringen av en ikke-sfærisk partikkel oppviser en verdi som avviker fra 0.

5. Laser-doppler-apparat som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte kombinasjonsorganer omfatter et ytterligere fasemåleorgan (27) forbundet med den ytterligere referansedetektor (25) og nevnte ene måledetektor (17) og en med dette fasemåleorgan (27) forbundet vurderingskrets (28) til overføring av nevnte utgangssignal til par-tikkelstørrelses-analysatoren (24) som reaksjon på 0 avvikende verdi av fasesammenligningssignalet ($<-.)•

6. Laser-doppler-apparat som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at der til en av detektorene (17, 18, 19, 25) er forbundet en doppler-frekvens-analysator (29) for tilførsel av et hastighets-inf ormasjonssignal.

7. Laser-doppler-apparat som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at justerings-organer (44-48) for detektorene (41-43) er innrettet til å justere disse til romlige posisjoner innenfor et variasjonsområde ned til en partikkelstørrelse av samme størrelsesorden som laserstrålingens bølgelengde, og at der til laserstråle-generatoren (31, 32) er knyttet organer for innstilling av krysningsvinkelen (0) mellom de i målevolumet fokuserte laserstråler (36, 37).