WO2013024166A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER GRÖßE EINES TRANSPARENTEN TEILCHENS - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER GRÖßE EINES TRANSPARENTEN TEILCHENS Download PDF

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light
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Cameron Tropea
Walter Schäfer
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Technische Universität Darmstadt
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    • G01N2201/0621—Supply

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the size of a transparent particle, wherein the particle is illuminated with light from a light source, wherein with a radiation detector under a predeterminable
  • Scattering angle 9 S is a time-resolved intensity profile of light scattered on the particle light of the light source is measured, wherein in the intensity curve characteristic scattered light peaks are determined and wherein by means of a
  • Time difference between two scattered light peaks the size of the particle is determined.
  • individual droplets are used to optimize fuel injection operations
  • Properties to be determined are not only liquid droplets in a gas such as air, but depending on the application
  • optical measuring methods are known. In many cases, optical measuring methods are advantageous because they do not or not significantly affect the individual particles whose properties are to be determined.
  • optical measuring methods known from practice and from research include, for example, high-resolution imaging techniques, intensity measurements, interferometry or the evaluation of reflected and refracted or refracted light beams which are scattered by a particle to be measured.
  • Particle can be used to determine the size of the particle.
  • the velocity of the particle can be over other measuring methods such as using a laser Doppler system are determined.
  • Such a method is described, for example, in N. Damaschke, H. Nobach, N. Semidetnov, C. Tropea (2002) Optical Particle Sizing in Backscatter, Applied Optics 41, 5713-5727 or A.
  • This object is achieved in that either with two spaced apart in the particle flight direction and arranged on both sides of an optical axis of the light source radiation detectors each a first and a second temporally resolved intensity profile of scattered on the particle in the forward direction scattered light of the light source, or that Particles with two spaced in the particle flight direction and is illuminated on both sides of an optical axis of the radiation detector light sources is lit and with the
  • Intensity profile caused by the second light source, is decomposed, that of the first intensity profile and the second intensity profile each one
  • Transmission peak and a reflection peak can be determined that a first time difference between the
  • Intensity curve are determined that a parameter is determined as the ratio of the first time difference and the second time difference, and wherein only for those particles, a sizing is performed, for which the characteristic corresponds to a predetermined value. It is exploited that in the scattered light, which is scattered or generated by a particle, the time interval of several scattered light peaks to each other
  • the scattered light angle is specified by the measuring apparatus and as a constant
  • the two radiation detectors or, if only one
  • Radiation detector and two light sources can be used, the two light sources can each be arranged at an arbitrary angle to the optical axis, as long as the two radiation detectors, or the two light sources are arranged on both sides of the optical axis.
  • either the two radiation detectors are arranged symmetrically on both sides of the optical axis of the light source and in each case a first and a second time-resolved Intensity profile of scattered on the particle in the forward direction scattered light of the light source is measured, or that the two light sources on both sides of a
  • optical axis of the radiation detector symmetrical
  • arranged light sources is illuminated.
  • Deviations from this assumption of an ideal spherical shape of the particle, which is responsible for the measured scattered light, are often also due to the simultaneous passage of two or more particles by that of the
  • incident light causes illuminated measuring volume.
  • Measurement results can be checked in a simple manner and those measured scattered light intensities can be identified, which do not allow a meaningful evaluation for the determination of the characteristic particle properties.
  • the scattering angle 9 S measured between the optical axis and the radiation detectors arranged deviating therefrom or else light sources is less than 90 °. If the light scattered by the particle is measured at a forward scattering angle 9 S and most preferably in a range 9 S ⁇ 65 °, then those for carrying out the measurement can be measured
  • Measuring devices are integrated, which are known from the prior art.
  • An advantageous scattering angle 9 S also depends on the relative refractive index m of the particles whose
  • the scattering angle 9 S should be less than 90 °
  • the time difference between the reflection peak and a transmission peak can be used in a known manner to determine the size of the particle at which the incident light is scattered. The fact is exploited that the time difference between the measurement signals for the reflection peak and for a
  • the particle diameter is denoted by d and the particle velocity by v.
  • Condition of an ideal spherical shape of the particle is exclusively dependent on the scattering angle 9 S and the relative refractive index m.
  • the angle of incidence ⁇ ⁇ 1 , for example, with ray tracing programs or suitable
  • Simulation programs are determined in advance.
  • the characteristic is therefore exclusively of the relative
  • Refractive index m of the particle in the surrounding medium and the scattering angle 9 S and dependent on scatter angle and fixed predetermined geometric conditions can be used according to the invention to check whether the measured values used to determine the particle size of a particle size
  • time-resolved intensity profile of a single particle and not originate from a superposition of multiple scattering effects on different particles.
  • over the characteristic also can
  • an approximately spherical shape are met, so that a meaningful size determination can be performed.
  • Particle size used but discarded The number of particles which is carried out for a determination of the particle size is reduced by discarding those measurement results for which the characteristic does not correspond to the predetermined criterion.
  • the value or value range for the parameter can be specified such that the time-resolved intensity profiles measured under this scattering angle S 9 have a
  • a first characteristic oii and for all particles of a second Material a second characteristic 0L2 be determined, which differs significantly from the first parameter oii. All particles for which the parameter oii is determined can be assigned to the first material. All
  • Particles for which the parameter d2 is determined can be assigned to the second material.
  • Characteristics oii and 0 (2) are discarded, since they do not permit a reliable evaluation and are the result of an evaluation of intensity maxima which can not be assigned to a single particle or to particles suitable for an evaluation. that a spatial
  • any suitable light source can be used as the light source, whose light is scattered by the particles to be measured with sufficient intensity and whose focused diameter is sufficiently small in relation to the particle size, so that between the individual
  • Reflection or transmission peaks correspond to the spatial intensity distribution of the light source, which is scanned by the passing droplets.
  • An approximately Gaussian spatial Intensity distribution of the light source leads to Gaussian time intensity distributions of the same
  • Intensity distribution is a reliable indication that the measured temporal intensity distribution can not be assigned to a single particle, but was caused by a superposition of the scattering shares of several particles. It is also conceivable that the measured intensity distribution can be assigned to a single particle, but this particle, for example, has no spherical shape. In both cases, the meaningfulness would be one with these
  • Particle velocity can be determined if the correlating spatial beam width of the light source is known or can be determined in advance by measurements. If the determination of the particle velocity at several peaks or at the reflection peak and on the
  • Transmission peak is performed, the accuracy of the determination of the particle velocity can be improved.
  • Intensity profile of the particle scattered light of the light source must be measured, can be determined with the method described above, the particle size quickly, reliably and extremely cost.
  • the invention also relates to a device for determining the size and the velocity of a particle with a light source, with a radiation detector for the
  • the light source does not emit coherent light.
  • the light source may be, for example, a light-emitting diode (LED).
  • the light source may also be formed of a plurality of LED's, which are arranged in a suitable manner. It is also possible that the light source emits coherent light, even if it has no greater importance for the implementation of the method according to the invention, whether the light source emits coherent or non-coherent light.
  • the light source generates a light curtain.
  • Fig. 1 is a schematic representation of one of a
  • FIG. 2 shows a schematic relationship between the spatial intensity distribution of a light beam of the light source falling on the particle and a temporal intensity distribution of the light source correlating therewith
  • 3 shows a schematic representation of a device for determining the size of a particle
  • Fig. 6 is a schematic representation of an apparatus for determining the size of a particle analogous to FIG. 3, wherein, however, an asymmetrical arrangement of the two radiation detectors is shown.
  • Fig. 1 the relevant for the inventive method for determining the particle size relevant excellent radiation in a scattering process in a scattering angle 9 S are shown schematically. From a light source, not shown in Fig. 1, a light beam 1 falls on a particle 2, which moves the light beam 1 across the light beam 1 through. The light beam 1 is reflected from the outside at the interface 3 of the particle 2 to the surrounding medium and transmitted through respective refraction at an entrance and at an exit from the particle 2 through the particle 2.
  • Fig. 1 are the
  • Scattering angle 9 S occur and can be detected.
  • a reflection beam 4 is reflected.
  • a transmission beam 5 is refracted into the interior of the particle 2 and refracted upon exiting the particle 2.
  • angles of incidence ⁇ ⁇ depending on the scattering angle 9 S used for the measurement and the refractive index m of the particle 2, can be determined with the aid of
  • Reflection beam 4 and the transmission beam 5 can be determined in advance, the individual beams generate time-spaced peaks that can be detected with a detector, not shown. Since the time difference between the individual peaks depends, inter alia, on the particle size, it is possible, on the basis of a time-resolved intensity profile, to be used with the
  • the particle size can be determined.
  • Fig. 2 is only schematically the relationship between a spatial intensity distribution of the incident light beam 1 and the temporal
  • Light beam 1 corresponds to the width o of the
  • the width b and the width o can be determined, for example, by determining the half-width of the respective peaks.
  • the spatial intensity distribution of the incident light beam 1 should therefore be determined in advance as precisely as possible.
  • Light source 6 and two photodetectors 7 must be so arranged and aligned relative to each other that the scattered light scattered by a passing particle 2, which is generated by the light source 6, in both
  • Photodetectors 7 can be detected, which are arranged in terms of magnitude the same scattering angle 9 S relative to an optical axis 8 of the light source 6 and aligned with a matching measuring volume 9.
  • the light source 6 are arranged on a first side of the measuring volume 9 and the two photodetectors 7 on a second side, which lies opposite the first side.
  • the light source 6 can be any sufficiently bright and suitably focusable light source.
  • the light source 6 does not have to emit coherent light, so that, for example, LEDs can also be used. If the sizes d of particles 2 with different
  • the light source 6 may also be configured as a light curtain or the like.
  • an evaluation device 10 is connected in a data-transmitting manner, which is suitable, a time-resolved with the photodetectors 7 measured
  • the evaluation device 10 has a suitable memory device for the measured values.
  • Fig. 4 are schematically the two time-resolved
  • the electrical intensity generated by a detector is representative of the intensity Measurement signal S plotted against the time t in ps.
  • Intensity curve shows a Reflextionspeak 11 and clearly separated therefrom a transmission peak 12. Any peaks that are generated by scatters of higher order, have no significant intensity and are therefore negligible.
  • the time differences Atoo and At n can be calculated as the difference of the respective maxima of the reflection peaks 11 and
  • the time differences Atoo and Atn are each dependent on the size d and the velocity v of the particle 2.
  • Messapparatur or by the arrangement and orientation of a detector relative to the light source can be specified.
  • the relative refractive index m can also be determined in advance for known particles 2 in a known medium.
  • a value table for the characteristic variable can also be calculated in advance as a function of the parameters and a value, or a range of values, can be predefined, to which the value measured from the measured value
  • Particles 2 are created, or the relevant
  • Particle 2 has no approximate spherical shape and therefore the for the distances and transit times the excellent rays 4 and 5 assumed
  • the value of the parameter can be determined independently of the other relationships.
  • Fig. 6 is an equally possible asymmetrical arrangement of the two two to illustrate

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Größe eines transparenten Teilchens (2), wobei das Teilchen (2) mit Licht aus einer Lichtquelle (6) beleuchtet wird, wobei mit einem Strahlungsdetektor (7) unter einem vorgebbaren Streuwinkel θS ein zeitaufgelöster Intensitätsverlauf von an dem Teilchen (2) gestreuten Licht der Lichtquelle (6) gemessen wird, wobei in dem Intensitätsverlauf charakteristische Streulichtpeaks bestimmt werden und wobei anhand einer Zeitdifferenz zwischen zwei Streulichtpeaks eine Größe des Teilchens (2) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von zwei Strahlungsdetektoren (7) oder Lichtquellen (6) ein erster und ein zweiter zeitlich aufgelöster Intensitätsverlauf von an dem Teilchen (2) in Vorwärtsrichtung gestreutem Streulicht gemessen werden, dass von dem ersten Intensitätsverlauf und von dem zweiten Intensitätsverlauf jeweils ein Transmissionspeak (12) und ein Reflexionspeak (11) ermittelt werden, dass eine erste Zeitdifferenz zwischen den Transmissionspeaks (12) und eine zweite Zeitdifferenz zwischen den Reflexionspeaks (11) ermittelt werden, dass eine Kenngröße α als Verhältnis der ersten Zeitdifferenz und der zweiten Zeitdifferenz ermittelt wird, und dass nur für diejenigen Teilchen (2) eine Größenbestimmung durchgeführt wird, für welche die Kenngröße α einem vorgebbaren Wert entspricht.

Description

Technische Universität Darmstadt
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Größe eines transparenten Teilchens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Größe eines transparenten Teilchens, wobei das Teilchen mit Licht aus einer Lichtquelle beleuchtet wird, wobei mit einem Strahlungsdetektor unter einem vorgebbaren
Streuwinkel 9S ein zeitaufgelöster Intensitätsverlauf von an dem Teilchen gestreuten Licht der Lichtquelle gemessen wird, wobei in dem Intensitätsverlauf charakteristische Streulichtpeaks bestimmt werden und wobei anhand einer
Zeitdifferenz zwischen zwei Streulichtpeaks die Größe des Teilchens ermittelt wird.
Die Bestimmung verschiedener charakteristischer
Eigenschaften einzelner Teilchen, deren Größe im Bereich Millimeter und kleiner liegt, ist sowohl für die Forschung als auch für die industrielle und kommerzielle Nutzung von Produkten oder Verfahren von großer Bedeutung. Oftmals betreffen die jeweils interessierenden Eigenschaften die Größe, die Formgebung, die Geschwindigkeit und den
Brechungsindex einzelner Teilchen. Die gleichzeitige
Bestimmung sowohl der Größe als auch der Geschwindigkeit einzelner Teilchen ist von besonderem Interesse, da mit diesen Informationen eine Flussdichte wie beispielsweise ein Massenfluss oder ein Volumenfluss ermittelt werden können. Darüber hinaus können einzelne Teilchen in einer großen Anzahl von Teilchen identifiziert und individuell charakterisiert werden, wie beispielsweise einzelne
Tröpfchen in einem Aerosol oder Spray.
Die Bestimmung von charakteristischen Eigenschaften
einzelner Tröpfchen wird beispielsweise für die Optimierung von Einsprit zVorgängen eines Brennstoffs in eine
Brennkammer oder für die Charakterisierung eines
Sprühstrahls einer Farbe oder eines Lackes während eines AufSprühvorgangs benötigt. Die Teilchen, deren
Eigenschaften bestimmt werden sollen, sind dabei nicht ausschließlich Flüssigkeitströpfchen in einem Gas wie beispielsweise Luft, sondern je nach Anwendung
FestStoffpartikel , Gasbläschen in einer Flüssigkeit oder auch eine Tröpfchenemulsion einer ersten Flüssigkeit, die in einer zweiten Flüssigkeit verteilt ist.
Aus der Praxis sind verschiedene Messverfahren bekannt. In vielen Fällen sind optische Messverfahren vorteilhaft, da sie die einzelnen Teilchen nicht oder nicht nennenswert beeinflussen, deren Eigenschaften bestimmt werden sollen.
Die aus der Praxis sowie aus der Forschung bekannten optischen Messverfahren beinhalten beispielsweise zeitlich hochauflösende Abbildungstechniken, Intensitätsmessungen, Interferometrie oder die Auswertung von reflektierten und gebrochenen, bzw. refraktierten Lichtstrahlen, die von einem zu messenden Teilchen gestreut werden.
Die meisten der vorangehend genannten Messverfahren setzen verfahrensabhängig verschiedene Annahmen über einige
Eigenschaften der Teilchen voraus oder erfordern
entsprechende Vorgaben, um in Verbindung mit den gemessenen Werten die gewünschten Eigenschaften bestimmen zu können. Eine in vielen Fällen notwendige Voraussetzung ist die Annahme, dass die einzelnen Teilchen eine kugelförmige Formgebung bzw. Oberfläche aufweisen.
Es hat sich gezeigt, dass regelmäßig ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich ist, um die für die
Bestimmung der charakteristischen Eigenschaften
erforderlichen Messungen durchführen zu können. Gleichwohl ermöglichen nur wenige Verfahren eine gleichzeitige
Bestimmung der Größe und der Geschwindigkeit einzelner Teilchen. In vielen Fällen müssen deshalb an demselben Teilchen mehrere verschiedene Messungen durchgeführt werden, um eine oder mehrere relevante Eigenschaften bestimmen zu können. Dabei besteht das Problem, die
Messergebnisse der verschiedenen Messungen zuverlässig jeweils denselben Teilchen zuordnen zu können, um eine weitere Auswertung der Messergebnisse und eine Bestimmung von Eigenschaften desselben Teilchens zu ermöglichen, die von mehreren Messergebnissen abhängig sind.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung wird zur Bestimmung der Größe eines Teilchens ausgenutzt, dass das von einem Teilchen reflektierte Licht und das von diesem Teilchen unter demselben Winkel durch Doppelbrechung gestreute, bzw. refraktierte Licht zeitlich versetzt nachgewiesen werden können. Die Zeitdifferenz zwischen den beiden Peaks bzw. Intensitätsmaxima des reflektierten und des refraktierten Streulichts kann unter bestimmten
Voraussetzungen und bei bekannter Geschwindigkeit des
Teilchens dazu verwendet werden, die Größe des Teilchens zu bestimmen. Die Geschwindigkeit des Teilchens kann über ein anderes Messverfahren wie beispielsweise mit Hilfe eines Laser-Doppler-Systems ermittelt werden. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in N. Damaschke, H. Nobach, N. Semidetnov, C. Tropea (2002) Optical Particle Sizing in Backscatter, Applied Optics 41, 5713-5727 oder A.
Kretschmer, N. Damaschke, N. Semidetnov, C. Tropea (2006) Application of the Time-Shift Technique for Spray
Measurement, 13th Int. Symp. on Appl . Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, June 26-29, 2006, beschrieben.
Während dieses Messverfahren in der Theorie gute Ergebnisse liefert, ist dessen praktischer Nutzen oftmals beschränkt. Verschiedene Intensitätsmaxima können beispielsweise auch dadurch erzeugt werden, dass zwei verschiedene Teilchen nacheinander von der Lichtquelle beleuchtet werden und Streulicht in Richtung eines Strahlendetektors gestreut wird. Insbesondere bei dichten Teilchenansammlungen können einzelne Peaks nicht mehr zuverlässig einzelnen Teilchen zugeordnet werden. Darüber hinaus kann die Formgebung der gemessenen Teilchen von einer Kugelform abweichen, so dass die für die Bestimmung der Größe vorausgesetzten
geometrischen Annahmen nicht zutreffen und die ermittelten Werte deutlich von tatsächlichen Größenwerten abweichen können. Um die Zuverlässigkeit der Messergebnisse
überprüfen zu können ist ein ganz erheblicher apparativer Aufwand erforderlich, der in vielen Fällen dazu führt, dass dieses Messverfahren nicht wirtschaftlich sinnvoll
eingesetzt werden kann.
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zur Bestimmung der Größe eines Teilchens so auszugestalten, dass eine zuverlässige Bestimmung der Teilchengröße mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass entweder mit zwei in Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse der Lichtquelle angeordneten Strahlungsdetektoren jeweils ein erster und ein zweiter zeitlich aufgelöster Intensitätsverlauf von an dem Teilchen in Vorwärtsrichtung gestreutem Streulicht der Lichtquelle gemessen wird, oder dass das Teilchen mit zwei in Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse des Strahlungsdetektors angeordneten Lichtquellen beleuchtet wird und der mit dem
Strahlungsdetektor gemessene zeitlich aufgelöste
Intensitätsverlauf von in Vorwärtsrichtung gestreutem
Streulicht in einen ersten Intensitätsverlauf, verursacht von der ersten Lichtquelle, und in einen zweiten
Intensitätsverlauf, verursacht von der zweiten Lichtquelle, zerlegt wird, dass von dem ersten Intensitätsverlauf und von dem zweiten Intensitätsverlauf jeweils ein
Transmissionspeak und ein Reflexionspeak ermittelt werden, dass eine erste Zeitdifferenz zwischen dem
Transmissionspeak des ersten Intensitätsverlaufs und dem Transmissionspeak des zweiten Intensitätsverlaufs und eine zweite Zeitdifferenz zwischen dem Reflexionspeak des ersten Intensitätsverlaufs und Reflexionspeak des zweiten
Intensitätsverlaufs ermittelt werden, dass eine Kenngröße als Verhältnis der ersten Zeitdifferenz und der zweiten Zeitdifferenz ermittelt wird, und wobei nur für diejenigen Teilchen eine Größenbestimmung durchgeführt wird, für welche die Kenngröße einem vorgebbaren Wert entspricht. Dabei wird ausgenutzt, dass in dem Streulicht, das von einem Teilchen gestreut bzw. erzeugt wird, der zeitliche Abstand von mehreren Streulichtpeaks zueinander
vorgegebenen Gesetzmäßigkeiten genügt und nur von wenigen charakteristischen Eigenschaften des betreffenden Teilchens abhängt. Wird eine ideale Kugelform für das Teilchen vorausgesetzt, sind die zeitlichen Abstände der mehreren Streulichtpeaks zueinander nur von der Größe und der
Geschwindigkeit des Teilchens sowie von dem
Streulichtwinkel abhängig, wobei der Streulichtwinkel durch die Messapparatur vorgegeben wird und als Konstante
hinreichend präzise bekannt ist. Durch die Anordnung der Messgeräte, insbesondere der
Strahlungsdetektoren und der Lichtquellen, kann eine zeitliche Korrelation der jeweiligen Intensitätsverläufe vorgenommen werden, so dass die zwei Intensitätsverläufe, die demselben Teilchen zugeordnet sind, eindeutig ermittelt werden können.
Die beiden Strahlungsdetektoren oder, falls nur ein
Strahlungsdetektor und zwei Lichtquellen verwendet werden, die beiden Lichtquellen können jeweils mit einem beliebigen Winkel zur optischen Achse angeordnet sein, sofern die zwei Strahlungsdetektoren, bzw. die zwei Lichtquellen auf beiden Seiten der optischen Achse angeordnet sind.
Allerdings ist vorzugsweise vorgesehen, dass entweder die zwei Strahlungsdetektoren auf beiden Seiten der optischen Achse der Lichtquelle symmetrisch angeordnet sind und jeweils ein erster und ein zweiter zeitlich aufgelöster Intensitätsverlauf von an dem Teilchen in Vorwärtsrichtung gestreutem Streulicht der Lichtquelle gemessen wird, oder dass die zwei Lichtquellen auf beiden Seiten einer
optischen Achse des Strahlungsdetektors symmetrisch
angeordnet sind und das Teilchen mit den zwei in
Teilchenflugrichtung beabstandet und symmetrisch
angeordneten Lichtquellen beleuchtet wird.
Obwohl die rechnerische Auswertung auch für eine
unsymmetrische Anordnung grundsätzlich möglich ist, vereinfachen sich die Zusammenhänge und damit die
Auswertung bei einer symmetrischen Anordnung der beiden Strahlungsdetektoren, bzw. der beiden Lichtquellen. Sofern in den nachfolgenden Ausführungen nicht ausdrücklich darauf hingewiesen wird, wird deshalb in den weiteren Ausführungen von einer symmetrische Anordnung ausgegangen.
Werden nunmehr zwei Zeitdifferenzen zwischen zwei
verschiedenen Paaren von Streulichtpeaks desselben
Teilchens miteinander verglichen und eine dieses Verhältnis beschreibende Kenngröße berechnet, sollte für alle
Teilchen, welche die vorausgesetzten Annahmen erfüllen und eine ideale Kugelform aufweisen, die Kenngröße
übereinstimmen, also ein übereinstimmendes Verhältnis dieser Zeitdifferenzen ermittelt werden. Falls für eine Messung an einem Teilchen die ermittelte Kenngröße deutlich abweicht, muss entweder eine fehlerhafte Messung vorliegen oder aber die Annahme einer idealen Kugelform falsch sein.
Abweichungen von dieser Annahme einer idealen Kugelform des Teilchens, das für das gemessene Streulicht verantwortlich ist, werden häufig auch durch den gleichzeitigen Durchgang von zwei oder mehreren Teilchen durch das von dem
einfallenden Licht beleuchtete Messvolumen verursacht.
Mit den bislang bekannten Messmethoden lassen sich derart überlagerte StreulichtIntensitäten nur dadurch erkennen oder sinnvoll auswerten, dass durch entsprechende Vorgaben sichergestellt wird, dass immer nur ein Teilchen das Messvolumen durchquert. Alternativ könnte mit zusätzlichen Detektoren das Messvolumen überwacht und im Falle von mehreren gleichzeitig das Messvolumen durchquerenden Teilchen die Messergebnisse verworfen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die
Messergebnisse selbst in einfacher Weise überprüft und diejenigen gemessenen StreulichtIntensitäten identifiziert werden, die keine sinnvolle Auswertung für die Bestimmung der charakteristischen Teilcheneigenschaften erlauben.
Es ist vorgesehen, dass der Streuwinkel 9S gemessen zwischen der optischen Achse und den davon abweichend angeordneten Strahlungsdetektoren oder aber Lichtquellen kleiner als 90° ist. Wenn das an dem Teilchen gestreute Licht unter einem Vorwärtsstreuwinkel 9S und in besonders vorteilhafter Weise in einem Bereich 9S < 65° gemessen wird, können die für die Durchführung der Messung
erforderlichen Messgeräte in bereits existierende
Messvorrichtungen integriert werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Lichtausbeute und damit die Signalstärke der Reflexionspeaks und der
Transmissionspeaks , die auch als Refraktionspeaks erster Ordnung bezeichnet werden können, sind vergleichsweise groß, so dass präzise Messergebnisse gewonnen werden können. Ein vorteilhafter Streuwinkel 9S hängt auch von dem relativen Brechungsindex m der Teilchen ab, deren
Streulicht gemessen wird. Für einen Brechungsindex m von etwa 1,6 sollte der Streuwinkel 9S weniger als 90°
betragen. Für einen Brechungsindex m von 1,2 sollte der Streuwinkel 9S weniger als 60° bis 65° betragen und für kleinere Brechungsindizes m sollte der Streuwinkel 9S deutlich kleiner als 65° sein, um eine möglichst einfache und zuverlässige Auswertung des gemessenen Streulichts zu ermöglichen.
Diese Überlegungen und Zusammenhänge gelten in analoger Weise auch dann, wenn eine unsymmetrische Anordnung
verwendet wird und deshalb zwei verschiedene Streuwinkel 9S (1) und 9S (2) berücksichtigt werden müssen.
Die Zeitdifferenz zwischen dem Reflexionspeak und einem Transmissionspeak kann in bekannter Art und Weise dazu verwendet werden, die Größe des Teilchens zu ermitteln, an dem das einfallende Licht gestreut wird. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Zeitdifferenz zwischen den Messsignalen für den Reflexionspeak und für einen
Transmissionspeak von der Weglänge und dem räumlichen Abstand der jeweils unterschiedlich gestreuten
Lichtstrahlen abhängt, die ihrerseits in bekannter Weise von der Teilchengröße und der Geschwindigkeit abhängen, mit welcher sich das Teilchen durch den einfallenden
Lichtstrahl bewegt. Werden zwei verschiedene Zeitdifferenzen, die den
jeweiligen Intensitätsmaxima von verschiedenen
Intensitätsverläufen des Streulichts desselben Teilchens zugeordnet sind, zueinander ins Verhältnis gesetzt, so ist das Verhältnis der beiden Zeitdifferenzen nicht mehr von der Größe des Teilchens abhängig. Für die Kenngröße , die das Verhältnis von zwei Zeitdifferenzen zwischen den
Reflexionspeaks einerseits und den Transmissionspeaks andererseits der beiden zeitlich aufgelösten
Intensitätsverläufen beschreibt, kann bei symmetrischer Anordnung und deshalb identischem Streuwinkel 9S die nachfolgend wiedergegebene Formel hergeleitet werden:
Figure imgf000012_0001
Die Zeitdifferenzen Atoo und Atn bezeichnen die
Zeitdifferenz zwischen den beiden Reflexionspeaks, bzw. zwischen den beiden Transmissionspeaks in den beiden
Intensitätsverläufen. Der Teilchendurchmesser wird mit d und die Teilchengeschwindigkeit mit v bezeichnet. Der
Einfallswinkel θιρ=1 beschreibt den Einfallswinkel des
Lichts des Transmissionspeaks (Refraktionspeak erster Ordnung) auf das Teilchen. Dieser Einfallswinkel θιρ=1 ist seinerseits eine geometrische Größe, die unter der
Voraussetzung einer idealen Kugelform des Teilchens ausschließlich von dem Streuwinkel 9S und dem relativen Brechungsindex m abhängig ist. Der Einfallswinkel θιρ=1 kann beispielsweise mit Ray-Tracing-Programmen oder geeigneten
Simulationsprogrammen vorab ermittelt werden. Die Kenngröße ist demzufolge ausschließlich von dem relativen
Brechungsindex m des Teilchens in dem umgebenden Medium und dem Streuwinkel 9S sowie von streuwinkelbezogenen und fest vorgegebenen geometrischen Bedingungen abhängig. Diese durch Untersuchungen festgestellte Unabhängigkeit der Kenngröße von der Teilchengröße kann erfindungsgemäß dazu verwendet werden, zu überprüfen, ob die für die Bestimmung der Teilchengröße verwendeten Messwerte eines
zeitaufgelösten Intensitätsverlaufs von einem einzelnen Teilchen stammen und nicht etwa aus einer Überlagerung mehrerer Streueffekte an verschiedenen Teilchen entstanden sind. Darüber hinaus kann über die Kenngröße auch
überprüft werden, dass die für eine zuverlässige Bestimmung der Teilchengröße zugrunde liegenden Annahmen wie
beispielsweise eine näherungsweise kugelförmige Formgebung erfüllt sind, so dass eine aussagekräftige Größenbestimmung durchgeführt werden kann.
Messwerte, für welche die Kenngröße deutlich von einem vorgegebenen Wert bzw. von einem vorgegebenen Wertbereich abweichen, werden nicht für eine Bestimmung der
Teilchengröße verwendet, sondern verworfen. Die Anzahl derjenigen Teilchen, für eine Bestimmung der Teilchengröße durchgeführt wird, wird durch das Verwerfen derjenigen Messergebnisse reduziert, für welche die Kenngröße nicht dem vorgegebenen Kriterium entspricht. Für die
verbleibenden Messwerte kann dann allerdings eine
wesentlich zuverlässigere und damit präzisere Bestimmung der Teilchengröße durchgeführt werden.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht mehr erforderlich, die Aussagekraft einzelner
Messergebnisse durch zusätzliche und unabhängige Messungen zu überprüfen und zu validieren. Der apparative Aufwand kann auf diese Weise erheblich reduziert werden, ohne dass die Präzision oder Aussagekraft der Messergebnisse
entsprechend vermindert würde.
Es hat sich gezeigt, dass eine zuverlässige und präzise Bestimmung der Teilchengröße dadurch begünstigt wird, dass der Streuwinkel 9S oder die beiden Streuwinkel 9S (1) und 9S (2) so vorgegeben werden, dass die Kenngröße = Atoo/Atu zwischen 0,5 und 2,5, vorzugsweise etwa 1,5 beträgt. Die Kenngröße hängt neben dem Streuwinkel 9S nur noch von dem relativen Brechungsindex m ab, der für ein bekanntes
Tröpfchenmaterial in einem umgebenden und ebenfalls
bekannten Medium eine bekannte und konstante Größe
darstellt. Durch eine geeignete Vorgabe des Streuwinkels 9S kann der Wert bzw. Wertebereich für die Kenngröße so vorgegeben werden, dass die unter diesem Streuwinkel 9S gemessenen zeitaufgelösten Intensitätsverläufe eine
möglichst zuverlässige Bestimmung der Teilchengröße
ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Wert der Kenngröße im Bereich von 1,5 vorteilhafte Voraussetzungen vorliegen, um die einzelnen Peaks in dem zeitaufgelösten Intensitätsverlauf zuverlässig zu separieren, zu
identifizieren und auszuwerten.
Es ist darüber hinaus grundsätzlich auch möglich, anhand der Kenngröße dem Teilchen einen von mehreren
vorbekannten Brechungsindizes zuzuordnen. Werden
beispielsweise gleichzeitig Teilchen aus zwei
unterschiedlichen Materialien einer Messapparatur
zugeführt, die sich hinsichtlich ihres jeweiligen
Brechungsindex deutlich voneinander unterscheiden, so sollte für alle Teilchen eines ersten Materials eine erste Kenngröße oii und für alle Teilchen aus einem zweiten Material eine zweite Kenngröße 0L2 ermittelt werden, die sich deutlich von der ersten Kenngröße oii unterscheidet. Alle Teilchen, für welche die Kenngröße oii ermittelt wird, können dem ersten Material zugeordnet werden. Alle
Teilchen, für welche die Kenngröße d2 ermittelt wird, können dem zweiten Material zugeordnet werden. Alle
seitlichen Intensitätsverteilungen, für die eine Kenngröße 0(3 ermittelt wird, die sich deutlich von den beiden
Kenngrößen oii und 0(2 unterscheidet, werden verworfen, da sie keine zuverlässige Auswertung ermöglichen und durch eine Auswertung von Intensitätsmaxima entstanden sind, die keinem einzelnen Teilchen oder keinem für eine Auswertung geeigneten Teilchen zugeordnet werden können. Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass eine räumliche
Intensitätsverteilung der Lichtquelle längs einer optischen Achse ermittelt und mit einer zeitlichen
Intensitätsverteilung des Reflexionspeaks und/oder
mindestens eines Transmissionspeaks verglichen wird. Als Lichtquelle kann grundsätzlich jede geeignete Lichtquelle verwendet werden, deren Licht von den zu messenden Teilchen mit ausreichender Intensität gestreut wird und deren fokussierter Durchmesser ausreichend klein im Verhältnis zur Teilchengröße ist, so dass zwischen den einzelnen
Reflexions- und Transmissionspeaks für einen vorgegebenen Streuwinkel 9S eine ausreichende Zeitdifferenz besteht. Die zeitliche Intensitätsverteilung eines beliebigen
Reflexions- oder Transmissionspeaks entspricht dabei der räumlichen Intensitätsverteilung der Lichtquelle, die durch das vorbeifliegende Tröpfchen gleichsam abgetastet wird. Eine näherungsweise gaußförmige räumliche Intensitätsverteilung der Lichtquelle führt zu ebenfalls gaußförmigen zeitlichen Intensitätsverteilungen des
Reflexionspeaks und der Transmissionspeaks . Um die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der jeweils durchgeführten Bestimmungen einer Teilchengröße zu
verbessern ist vorgesehen, dass nur für diejenigen Teilchen eine Größenbestimmung durchgeführt wird, bei denen der Reflexionspeak und/oder der Transmissionspeak eine mit der räumlichen Intensitätsverteilung der Lichtquelle
korrelierende zeitliche Intensitätsverteilung aufweisen. Eine voneinander abweichende und nicht korrelierende
Intensitätsverteilung ist ein zuverlässiges Anzeichen dafür, dass die gemessene zeitliche Intensitätsverteilung nicht einem einzelnen Teilchen zugeordnet werden kann, sondern durch eine Überlagerung der Streuanteile mehrerer Teilchen verursacht wurde. Es ist ebenfalls denkbar, dass die gemessene Intensitätsverteilung zwar einem einzelnen Teilchen zugeordnet werden kann, jedoch dieses Teilchen beispielsweise keine kugelförmige Formgebung aufweist. In beiden Fällen wäre die Aussagekraft einer mit diesen
Messwerten ermittelten Teilchengröße äußerst gering. Aus diesem Grund wird für derartige nicht korrelierte
Intensitätsverteilungen keine Bestimmung der Teilchengröße durchgeführt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass aus einer Breite der zeitlichen Intensitätsverteilung des Reflexionspeaks und/oder aus einer Breite des Transmissionspeaks die
Geschwindigkeit des Teilchens ermittelt wird. Insbesondere für diejenigen Intensitätsverteilungen, bei denen die vorangehend erörterten Plausibilitätskontrollen erfolgreich bestanden wurden, kann ausgehend von einer
charakteristischen Breite der zeitlichen
Intensitätsverteilung eines Peaks die
Teilchengeschwindigkeit ermittelt werden, sofern die korrelierende räumliche Strahlbreite der Lichtquelle bekannt ist bzw. vorab durch Messungen ermittelt werden kann. Wenn die Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit an mehreren Peaks bzw. an dem Reflexionspeak und an dem
Transmissionspeak durchgeführt wird, kann die Genauigkeit der Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit verbessert werden .
Zusätzliche Messverfahren und ein damit einhergehender zusätzlicher apparativer Aufwand sind nicht erforderlich, um sowohl die Teilchengeschwindigkeit und in Kenntnis davon auch die Teilchengröße bestimmen zu können. Da für die Bestimmung der Teilchengröße lediglich der zeitliche
Intensitätsverlauf des an dem Teilchen gestreuten Lichts der Lichtquelle gemessen werden muss, lässt sich mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren die Teilchengröße schnell, zuverlässig und äußerst kostengünstig ermitteln.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Größe und der Geschwindigkeit eines Teilchens mit einer Lichtquelle, mit einem Strahlungsdetektor für von dem
Teilchen gestreutes Licht der Lichtquelle und mit einer Auswerteeinrichtung, die mit dem Strahlungsdetektor
datenübertragend verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich entweder ein weiterer
Strahlungsdetektor oder eine weitere Lichtquelle Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Lichtquelle nicht kohärentes Licht emittiert. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine lichtimitierende Diode (LED) handeln. Die Lichtquelle kann auch aus mehreren LED's gebildet werden, die in geeigneter Weise angeordnet sind. Es ist ebenfalls möglich, dass die Lichtquelle kohärentes Licht emittiert, auch wenn es für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine größere Bedeutung hat, ob die Lichtquelle kohärentes oder nicht kohärentes Licht emittiert.
Um für eine große Anzahl von Teilchen, die sich
gegebenenfalls in unterschiedliche Richtungen bewegen können, eine rasche und zuverlässige Bestimmung der
Teilchengröße durchführen zu können ist vorgesehen, dass die Lichtquelle einen Lichtvorhang erzeugt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele näher erörtert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines von einer
Lichtquelle beleuchteten Teilchens und der für einen vorgegebenen Streuwinkel 9S auftretenden Verläufe einiger ausgezeichneter Strahlen,
Fig. 2 einen schematischen Zusammenhang zwischen der räumlichen Intensitätsverteilung eines auf das Teilchen fallenden Lichtstrahles der Lichtquelle und eine damit korrelierende zeitliche Intensitätsverteilung des
gemessenen Streulichts, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Größe eines Teilchens,
Fig. 4 die schematisch dargestellten zeitlichen
Intensitätsverläufe des von einem Teilchen in den
Streuwinkel 9S gestreuten Lichts, die von einem ersten Strahlungsdetektor und von einem zweiten Strahlungsdetektor in Vorwärtsstreurichtung gemessen werden, Fig. 5 eine schematische Darstellung von verschiedenen Werten der Kenngröße in Abhängigkeit von verschiedenen Materialien bzw. Brechungsindizes m des Teilchens, und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Größe eines Teilchens analog zu Fig. 3, wobei jedoch eine unsymmetrische Anordnung der beiden Strahlungsdetektoren gezeigt wird.
In Fig. 1 werden schematisch die für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße relevanten ausgezeichneten Strahlen bei einem Streuvorgang in einen Streuwinkel 9S dargestellt. Von einer in Fig. 1 nicht dargestellten Lichtquelle fällt ein Lichtstrahl 1 auf ein Teilchen 2, das sich den Lichtstrahl 1 querend durch den Lichtstrahl 1 hindurch bewegt. Der Lichtstrahl 1 wird von außen an der Grenzfläche 3 des Teilchens 2 zum umgebenden Medium reflektiert und durch jeweilige Brechung bei einem Eintritt und bei einem Austritt aus dem Teilchen 2 durch das Teilchen 2 transmittiert . In Fig. 1 sind die
ausgezeichneten Strahlen für die Reflexion und für die Transmission abgebildet, die unter einem vorgegebenen
Streuwinkel 9S auftreten und nachgewiesen werden können. An der Grenzfläche 3 wird ein Reflexionsstrahl 4 reflektiert. Ein Transmissionsstrahl 5 wird in das Innere des Teilchens 2 gebrochen und bei einem Austritt aus dem Teilchen 2 erneut gebrochen.
Der jeweilige Einfallswinkel θ± der ausgezeichneten
Strahlen, die entsprechende Intensitätspeaks in einem zeitlich aufgelösten Intensitätsverlauf erzeugen,
korreliert mit dem Auftreffpunkt auf der Grenzfläche 3 des Teilchens 2. Für eine angenommene ideale Kugelform des Teilchens 2 können die Einfallswinkel θ± in Abhängigkeit von dem für die Messung verwendeten Streuwinkel 9S und dem Brechungsindex m des Teilchens 2 mit Hilfe von
geometrischen Überlegungen, bzw. in der Praxis mit Hilfe von Ray-Tracing-Programmen bestimmt werden.
Auf Grund der unterschiedlichen Wege und Laufzeiten, die bei einem vorgegebenen Streuwinkel 9S sowohl für den
Reflexionsstrahl 4 als auch für den Transmissionsstrahl 5 im Voraus bestimmt werden können, erzeugen die einzelnen Strahlen zeitlich beabstandete Peaks, die mit einem nicht dargestellten Detektor nachgewiesen werden können. Da die Zeitdifferenz zwischen den einzelnen Peaks unter anderem von der Teilchengröße abhängig ist, kann ausgehend von einem zeitaufgelösten Intensitätsverlauf, der mit dem
Detektor nachgewiesen wurde, die Teilchengröße ermittelt werden .
In Fig. 2 wird lediglich schematisch der Zusammenhang zwischen einer räumlichen Intensitätsverteilung des einfallenden Lichtstrahls 1 und dem zeitlichen
Intensitätsverlauf des unter dem Streuwinkel 9S nachgewiesenen Streulichts dargestellt. Eine im
Wesentlichen gaußförmige Intensitätsverteilung des einfallenden Lichtstrahls 1 führt zu einem ebenfalls näherungsweise gaußförmigen zeitlichen Verlauf der
gemessenen Intensität des Streulichts. Ein derartiger Intensitätspeak kann für alle vorangehend beschriebenen ausgezeichneten Strahlen gemessen werden.
Durch das den Lichtstrahl 1 querenden Teilchen 2 wird der auf das Teilchen 2 einfallende Lichtstrahl 1 in den
Detektor abgebildet, was durch eine mathematische
Transformation beschrieben werden kann. Die Breite b der räumlichen Intensitätsverteilung des einfallenden
Lichtstrahls 1 entspricht dabei der Breite o des
zeitaufgelösten Peaks des Streulichts. Die
Teilchengeschwindigkeit v ergibt sich dabei aus dem
Quotienten der räumlichen Breite b und derjenigen
Zeitdifferenz, die der Breite o entspricht: v = b / o.
Die Breite b und die Breite o können beispielsweise über eine Halbwertsbreitenbestimmung der jeweiligen Peaks ermittelt werden. Die räumliche Intensitätsverteilung des einfallenden Lichtstrahls 1 sollte deshalb vorab möglichst präzise ermittelt werden.
Eine in Fig. 3 exemplarisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt lediglich wenige und kostengünstige Komponenten. Eine
Lichtquelle 6 und zwei Photodetektoren 7 müssen relativ zueinander so angeordnet und ausgerichtet sein, dass das von einem vorbeifliegenden Teilchen 2 gestreute Streulicht, das von der Lichtquelle 6 erzeugt wird, in beiden
Photodetektoren 7 nachgewiesen werden kann, die unter betragsmäßig demselben Streuwinkel 9S relativ zu einer optischen Achse 8 der Lichtquelle 6 angeordnet und auf ein übereinstimmendes Messvolumen 9 ausgerichtet sind. Um das Streulicht in Vorwärtsrichtung erfassen zu können sind die Lichtquelle 6 auf einer ersten Seite des Messvolumens 9 und die beiden Photodetektoren 7 auf einer zweiten Seite angeordnet, die der ersten Seite gegenüberliegt.
Da keinerlei Interferenzeigenschaften für die Bestimmung der Teilchengröße d ausgenutzt werden müssen, kann es sich bei der Lichtquelle 6 um eine beliebige, ausreichend helle und in geeigneter Weise fokussierbare Lichtquelle handeln. Die Lichtquelle 6 muss kein kohärentes Licht ausstrahlen, so dass beispielsweise auch LEDs verwendet werden können. Falls die Größen d von Teilchen 2 mit verschiedenen
Trajektorien bestimmt werden sollen, kann die Lichtquelle 6 auch als Lichtvorhang oder dergleichen ausgestaltet sein. Mit den Photodetektor 7 ist eine Auswerteeinrichtung 10 datenübertragend verbunden, die dazu geeignet ist, eine mit den Photodetektoren 7 gemessene zeitaufgelöste
Intensitätsverteilung auszuwerten. Gegebenenfalls weist die Auswerteeinrichtung 10 eine geeignete Speichereinrichtung für die Messwerte auf.
In Fig. 4 sind schematisch die beiden zeitaufgelösten
Intensitätsverläufe des von den beiden Photodetektoren 7 unter dem Streuwinkel 9S gemessenen Streulichts an dem
Teilchen 2 dargestellt. Dabei ist stellvertretend für die Intensität das von einem Detektor erzeugte elektrische Messsignal S über die Zeit t in ps aufgetragen. Jeder
Intensitätsverlauf zeigt einen Reflextionspeak 11 und davon deutlich getrennt einen Transmissionspeak 12. Eventuelle Peaks, die von Streuungen höherer Ordnung erzeugt werden, weisen keine nennenswerte Intensität auf und sind deshalb vernachlässigbar .
Die Zeitdifferenzen Atoo und Atn können als Differenz der jeweiligen Maxima der Reflexionspeaks 11 und der
Transmissionspeaks 12 ermittelt werden. Die beiden
Zeitdifferenzen Atoo und Atn ergeben sich gemäß
Δίη (d,v,0s,m)=— (sm(e!p=1){ßs , m)))
Figure imgf000023_0001
aus den Teilcheneigenschaften Größe d, Geschwindigkeit v und Brechungsindex m sowie aus dem durch die Messapparatur vorgegebenen Streuwinkel 9S.
Die Zeitdifferenzen Atoo und Atn sind jeweils abhängig von der Größe d und der Geschwindigkeit v des Teilchens 2.
Dagegen ist eine Kenngröße , die als Quotient aus den beiden Zeitdifferenzen Atoo und Atn gemäß der folgenden Beziehung
Figure imgf000023_0002
bestimmt wird, von der Teilchengröße d und der Geschwindigkeit v unabhängig und nur von dem Streuwinkel 9S und dem relativen Brechungsindex m abhängig. Der
Streuwinkel 9S kann durch den apparativen Aufbau der
Messapparatur bzw. durch die Anordnung und Ausrichtung eines Detektors relativ zu der Lichtquelle vorgegeben werden .
Der relative Brechungsindex m kann für bekannte Teilchen 2 in einem bekannten Medium ebenfalls vorab ermittelt werden. Der Einfallswinkel θιρ=1 ist eine geometrische Größe, die unter der Voraussetzung einer idealen Kugelform des
Teilchens ausschließlich von dem Streuwinkel 9S und dem relativen Brechungsindex m abhängig ist und im Voraus bestimmt werden kann. Damit kann eine Wertetabelle für die Kenngröße in Abhängigkeit von den Parametern ebenfalls vorab berechnet werden und ein Wert, bzw. ein Wertebereich vorgegeben werden, dem die aus der gemessenen
Intensitätsverteilung ermittelte Kenngröße entsprechen muss, damit die betreffende Intensitätsverteilung für die Bestimmung einer Teilchengröße berücksichtigt und
herangezogen wird.
Sollte sich aus der gemessenen Intensitätsverteilung eine deutlich abweichende Kenngröße ergeben, so muss dies regelmäßig darauf zurückgeführt werden, dass die einzelnen Peaks 11 und 12 nicht einem einzigen Teilchen 2 zugeordnet werden können, sondern beispielsweise aus einer
Überlagerung mehrerer Streueffekte an verschiedenen
Teilchen 2 entstanden sind, oder aber das betreffende
Teilchen 2 keine näherungsweise kugelförmige Formgebung aufweist und deshalb die für die Wegstrecken und Laufzeiten der ausgezeichneten Strahlen 4 und 5 angenommenen
geometrischen Randbedingungen nicht zutreffen.
Es ist ebenfalls möglich, anstelle von dem Verhältnis der Zeitdifferenzen Atoo und Atn oder zusätzlich dazu in einer gemessenen Intensitätsverteilung die Zeitdifferenz Atoi der beiden Peaks 11 und 12 zueinander zu ermitteln und im jeweiligen Verhältnis zu den Zeitdifferenzen Atoo und Atn für die Berechnung der Kenngröße zu verwenden, wobei die nachfolgenden Zusammenhänge gelten:
Figure imgf000025_0001
und
Figure imgf000025_0002
Mit jeder dieser Formeln kann unabhängig von den jeweils anderen Beziehungen der Wert der Kenngröße ermittelt werden .
Zusätzlich ist es möglich, zwei oder drei verschiedene Berechnungen für die Kenngröße durchzuführen und die jeweils erhaltenen Werte zu vergleichen. Sofern die jeweils ermittelten Werte für die Kenngröße nicht übereinstimmen sollten die davon betroffenen Intensitätsverteilungen nicht für eine Auswertung herangezogen werden, da Unterschiede in der Kenngröße ebenfalls darauf hinweisen, dass die einzelnen Peaks 11 und 12 nicht einem einzigen Teilchen 2 zugeordnet werden können.
In Fig. 5 werden für verschiedene Brechungsindizes zwischen m = 1,1 und m = 1,7 in Schritten von jeweils 0,1 die theoretisch ermittelten Werte für die Kenngröße über den Streuwinkel 9S in Grad dargestellt. Für die Auswertung der Messergebnisse ist ein Wert von 1,5 für die Kenngröße vorteilhaft. Dies führt dazu, dass beispielsweise für eine Messung der Größe von Wassertröpfchen in Luft mit einem Brechungsindex m = 1,33 ein Streuwinkel 9S von etwa 21° besonders vorteilhaft ist und für den konstruktiven Aufbau einer Messapparatur berücksichtigt und gegebenenfalls voreingestellt werden sollte.
In Fig. 6 wird zur Veranschaulichung eine ebenfalls mögliche unsymmetrische Anordnung der beiden zwei
Photodetektoren 7 relativ zu der optischen Achse 8 der Lichtquelle 6 gezeigt. Die beiden Photodetektoren 7 weisen demzufolge jeweils einen Streuwinkel 9S (1) beziehungsweise 9S (2) zu der optischen Achse 8 auf.
Die Kenngröße ist damit eine Funktion der beiden
Streuwinkel 9S (1) und 9S (2) sowie des Brechungsindex m gemäß der folgenden Beziehung:
Figure imgf000026_0001
Auch für die vorangehend bereits erörterten Verhältnisse anderer Zeitdifferenzen zueinander wie beispielsweise Atoi/Atoo oder Atoi/Atu lassen sich entsprechende Beziehungen als Funktion der beiden Streuwinkel 9S (1) und 9S (2) sowie des Brechungsindex m formulieren und berechnen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Bestimmung der Größe eines transparenten Teilchens (2), wobei das Teilchen (2) mit Licht aus einer Lichtquelle (6) beleuchtet wird, wobei mit einem
Strahlungsdetektor (7) unter einem vorgebbaren Streuwinkel 9S ein zeitaufgelöster Intensitätsverlauf von an dem
Teilchen (2) gestreuten Licht der Lichtquelle (6) gemessen wird, wobei in dem Intensitätsverlauf charakteristische Streulichtpeaks bestimmt werden und wobei anhand einer Zeitdifferenz zwischen zwei Streulichtpeaks eine Größe des Teilchens (2) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass entweder mit zwei in Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse (8) der Lichtquelle (6) angeordneten Strahlungsdetektoren (7) jeweils ein erster und ein zweiter zeitlich aufgelöster
Intensitätsverlauf von an dem Teilchen (2) in
Vorwärtsrichtung gestreutem Streulicht der Lichtquelle gemessen wird, oder dass das Teilchen (2) mit zwei in
Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse (8) des Strahlungsdetektors (7) angeordneten Lichtquellen (6) beleuchtet wird und der mit dem Strahlungsdetektor (7) gemessene zeitlich aufgelöste Intensitätsverlauf von in Vorwärtsrichtung gestreutem
Streulicht in einen ersten Intensitätsverlauf, verursacht von der ersten Lichtquelle (6), und in einen zweiten
Intensitätsverlauf, verursacht von der zweiten Lichtquelle (6), zerlegt wird, dass von dem ersten Intensitätsverlauf und von dem zweiten Intensitätsverlauf jeweils ein
Transmissionspeak (12) und ein Reflexionspeak (11)
ermittelt werden, dass eine erste Zeitdifferenz zwischen zwei verschiedenen Transmissionspeaks und/oder
Reflexionspeaks und eine von der ersten Zeitdifferenz verschiedene zweite Zeitdifferenz zwischen zwei
verschiedenen Transmissionspeaks und/oder Reflexionspeaks ermittelt werden, dass eine Kenngröße aus einem
Verhältnis der ersten Zeitdifferenz und der zweiten
Zeitdifferenz ermittelt wird, und wobei nur für diejenigen Teilchen (2) eine Größenbestimmung durchgeführt wird, für welche die Kenngröße einem vorgebbaren Wert entspricht
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die zwei Strahlungsdetektoren (7) auf beiden
Seiten der optischen Achse (8) der Lichtquelle (6)
symmetrisch angeordnet sind und jeweils ein erster und ein zweiter zeitlich aufgelöster Intensitätsverlauf von an dem Teilchen (2) in Vorwärtsrichtung gestreutem Streulicht der Lichtquelle gemessen wird, oder dass die zwei Lichtquellen (6) auf beiden Seiten einer optischen Achse (8) des
Strahlungsdetektors (7) symmetrisch angeordnet sind und das Teilchen (2) mit den zwei in Teilchenflugrichtung
beabstandet und symmetrisch angeordneten Lichtquellen (6) beleuchtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitdifferenz zwischen dem Transmissionspeak (12) des ersten Intensitätsverlaufs und dem Transmissionspeak (12) des zweiten Intensitätsverlaufs und die zweite Zeitdifferenz zwischen dem Reflexionspeak (11) des ersten Intensitätsverlaufs und Reflexionspeak (11) des zweiten Intensitätsverlaufs ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Streuwinkel 9S oder die Streuwinkel 9S (1) und 9S (2) so vorgegeben werden, dass die Kenngröße = Atoo/Atu zwischen 0,5 und 2,5, vorzugsweise etwa 1,5 beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Kenngröße dem Teilchen (2) einer von mehreren vorgegebenen
Brechungsindizes m zugeordnet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche
Intensitätsverteilung der Lichtquelle (6) längs der
optischen Achse (8) ermittelt und mit einer zeitlichen
Intensitätsverteilung des Reflexionspeaks (11) und/oder des Transmissionspeaks (12) verglichen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur für diejenigen Teilchen (2) eine Größenbestimmung durchgeführt wird, bei denen der Reflexionspeak (11) und/oder der Transmissionspeak (12) eine mit der räumlichen Intensitätsverteilung der Lichtquelle (6) korrelierende zeitliche Intensitätsverteilung aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Breite o der zeitlichen Intensitätsverteilung des Reflexionspeaks (11) und/oder aus einer Breite σ des Transmissionspeaks (12) die
Geschwindigkeit v des Teilchens (2) ermittelt wird.
9. Vorrichtung zur Bestimmung der Größe eines Teilchens (2) mit einer Lichtquelle (6), mit einem Strahlungsdetektor (7) für von dem Teilchen (2) gestreutes Licht der Lichtquelle (6) und mit einer Auswerteeinrichtung (10), die mit dem Strahlungsdetektor (7) datenübertragend verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass entweder in
Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse (8) der Lichtquelle (6) zwei
Strahlungsdetektoren (7) in Vorwärtsrichtung angeordnet sind, oder dass in Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse (8) des
Strahlungsdetektors (7) zwei Lichtquellen (6) in
Vorwärtsrichtung angeordnet sind, wobei sich die
Lichtquelle (6) oder die Lichtquellen (6) auf einer ersten Seite eines Messvolumens (9) und der Strahlungsdetektor (7) oder die Strahlungsdetektoren (7) auf einer
gegenüberliegenden Seite des Messvolumens (9) befinden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Strahlungsdetektoren (7) entweder in
Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse (8) der Lichtquelle (6) symmetrisch mit betragsmäßig demselben Streuwinkel 9S in
Vorwärtsrichtung angeordnet sind, oder dass die zwei
Lichtquellen (6) in Teilchenflugrichtung beabstandet und auf beiden Seiten einer optischen Achse (8) des
Strahlungsdetektors (7) symmetrisch mit betragsmäßig demselben Streuwinkel 9S in Vorwärtsrichtung angeordnet sind .
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) nicht kohärentes
Licht emittiert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) eine LED aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) einen Lichtvorhang erzeugt .
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