WO2015049163A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen von grössen von partikeln in einem fluid - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bestimmen von grössen von partikeln in einem fluid Download PDF

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WO2015049163A1
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laser
particles
fluid
laser beams
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PCT/EP2014/070543
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Reinhard Freitag
Robert Schrobenhauser
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • the present invention provides an apparatus and method for determining sizes of particles in a fluid. Furthermore, the invention provides a method for determining a number of particles in a fluid and production method for producing the device according to the invention.
  • Detecting particles and determining their size plays a central role in many technical task positions. For example, particles in a fluid before and detected by a filter and its size determines the ⁇ , to determine an effectiveness of the filter.
  • a laser beam into the fluid for example a liquid, but usually a gas or gas mixture such as air,
  • a DA by nascent signal can be measured and be closed to the particle size thereof Example ⁇ example.
  • the detectable particle size can be limited by the signal-to-noise ratio ( "signal-to-noise ratios" SNR).
  • signal-to-noise ratios SNR
  • complex optical systems can be ⁇ Siert to improve the signal-to-noise ratio reali.
  • alternative measures getrof ⁇ fen. can be used mirror or large-scale lenses to collect a larger amount of scattered laser light ⁇ .
  • a laser-based particle counters is described which receives light which is scattered by particles in a fluid in a measurement volumeteurque ⁇ ren.
  • a plurality of photodetectors arranged so that only scattered laser beams on they can meet.
  • a laser beam generated by a source passes through multiple apertures.
  • the present invention provides a device with the
  • an apparatus for determining sizes of particles in a fluid comprising: a lens optic comprising: a laser absorber that absorbs laser beams emitted by a laser source that pass through the fluid substantially unscattered, the laser absorber is comprised of a first lens and a second lens and a third lens,
  • the first lens from the laser source emitted La ⁇ serstrahlen which are scattered by the particles in the fluid, at least in part, hinged on the second lens and / or the third lens wherein the second lens laser beams from the first lens to the second lens impinge deflected in Wesent ⁇ union on a first photodetector which generates a function of the steered laser beams on it first measuring signals, wherein the third lens laser beams which are incident from the first lens to the third lens in materiality borrowed to a second photodetector which generates second measurement signals in response to laser beams directed thereon; and with an evaluation device, which evaluates the measurement signals of the two photodetectors for determining the sizes of the particles.
  • Coupling laser beams into the fluid Deflecting laser beams, which are scattered on the particles in the fluid, by means of a first lens at least partially onto a second lens and / or a third lens;
  • a ⁇ OF INVENTION dung invention process is carried out to determine the size of the particles in the fluid over a period continuously; wherein each time the size of one of the particles is determined, a counter is incremented by one if the respective particular size of the particle exceeds a predetermined minimum value; and wherein, subsequent to the period of time based on the counter and the time period, the number of particles in the fluid is determined.
  • the pre- agreed minimum value can in particular also be zero, that is, the counter is reset by each particle, the size of which agrees ⁇ be increased.
  • a flow of the fluid can be known or via a
  • Flow measuring device to be measured It may be further known a measuring efficiency of the method according to the invention, that is, what percentage of the actual fluid in befind ⁇ union particles are collected on average from the procedure.
  • the meter may be modified based on metering efficiency to determine an actual number of particulates in the fluid. From the flow, the meter and the metering efficiency, it is also possible to deduce a concentration of the particles in the fluid.
  • a method for producing a lens system for a device according to the invention for determining sizes of particles in a fluid comprising the following steps: injection molding of the first lens in a first injection molding step; Injection molding the second lens, the third lens and the laser absorption device in a second injection molding step; and mounting the first lens on the laser absorber.
  • a method for producing a lens optic for a device according to the invention for determining sizes of particles in a fluid comprising the step of: injection molding the first lens, the second lens, the third lens and the laser absorption device in a single injection molding step.
  • a finding underlying the present invention is that by arranging a plurality of different lenses around a central beam sink, a particularly compact and at the same time particularly efficient lens optics can be created, which can be used for a device for determining sizes of particles.
  • laser beams having different scattering angles - even on one and the same particle - are directed differently onto the first or the second photodetector.
  • information about the distribution of the scattering angles can thus be obtained. For example, smaller particles may result in more scattering angles with smaller angles than larger particles, which may relatively result in more scattering angles with larger angles.
  • the Verrin- like allows a background signal (noise) by random Re ⁇ inflections of the laser light. That is, the signal-to-noise ratio (SNR) may be higher.
  • the lens optics can be further reduced.
  • the production by means of an injection molding process is very precise, so that fluctuations in properties of optical components (for example in the case of lenses) and installation inaccuracies can be minimized. Assembly and manual alignment steps may also be omitted.
  • the injection molding of plastics can lead to significant production costs and manufacturing speed advantages.
  • the device according to the invention can be used in various fields, such as industry, the infrastructure industry, in building technology, environmental monitoring (such as for measuring particulate matter and hyperfine dust) or Fahr ⁇ witnesses (measuring a filter efficiency).
  • environmental monitoring such as for measuring particulate matter and hyperfine dust
  • Fahr ⁇ witnesses means for measuring a filter efficiency.
  • Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
  • the second lens, the third lens comprises at ⁇ least partially.
  • the third lens is inserted in a recess or a hole in the second lens, or is carried out through the hole back.
  • the two lenses are arranged particularly space-saving, whereby the device can be more miniaturized.Also, such an arrangement is gas-tight, when the second lens, the third lens flush ⁇ summarized, ie if the hole is completely closed in the third lens by the second lens.
  • the second lens and the third lens further comprise at least a wide ⁇ re lens. It may also be at least one further photodetector is provided on which the at least another Lin ⁇ se on them distracts incident laser beams.
  • each one lens may comprise a lens with a next smaller outer radius, so that there is a describable as a "target-like" arrangement.
  • a wide ⁇ rer photodetector may be provided on which the respective laser beams deflected lens.
  • the first lens is designed as a concentric first section of a first Fresnel lens.
  • the first lens can do that
  • the second lens may be formed as an eccentric second section of a second Fresnel lens.
  • the third lens may be formed as an eccentric third section of a third Fresnel lens. Fresnel lenses are thin, easy to manufacture, have a high diameter to focal length ratio and are easily calculable for all geometries.
  • the eccentrically cut second and enclosed by it eccentrically cut third lens in the beam direction of the coupled laser beam behind the concentrically cut first lens are arranged.
  • the lens optics can be kept very compact, which contributes to the miniaturization of the device.
  • the first Fresnel lens, the second Fresnel lens and the third Fresnel lens are identical in construction. This can make it easier to calculate the geometries. In addition, the production cost can be reduced, since not several different Fresnel structure forms, such as for injection molding, must be provided.
  • the lenses may be aligned confocally, whereby the Ab ⁇ education of random, for example, at the laser absorption device reflected light of the laser can be minimized to the photodetectors.
  • a holding device is formed on the laser absorption device, with which at least the first lens and the second lens are screwed and / or glued. Alternatively you can Also, the first and the second lens and / or the laser absorption device may be bonded directly to each other.
  • a holding device of the laser absorption device, the laser absorption device and at least the second lens and the third lens may be formed as a monolithic component.
  • the lens optics can be fixable by means of the holding device in or on the device and removed from the device again. As a result, the lens optics can be replaced easily and with little technical effort in the event of contamination or damage.
  • the first, second and third lenses can be held in a fixed and known position by means of markings, for example in the form of grooves or bores, relative to or on the holding device.
  • the holding device can for the grooves or the holes have corresponding counterparts.
  • the laser absorption device has a beam sink (or: beam trap) with a cavity open in the direction of the laser source, into which the laser beams, which pass through the fluid substantially unscattered, enter.
  • the device has a measuring chamber through which the fluid
  • the laser source may be a laser generating device to emit ren a provisional laser beam, for example a la ⁇ seremittierende diode (LED) and a laser source lenses ⁇ optics, for example, for collimating the preliminary laser beam into the material to be spread laser beam having.
  • the first lens and the laser absorption device are fluidically sealed in such a way that the fluid can not enter the detector chamber starting from the measuring chamber.
  • the optical structure, in particular the lens optics, is thereby gas-tight.
  • the detector chamber in particular the photodetectors, can also be protected against contamination and damage.
  • the leaktightness of the lens optics makes it possible to carry out a cleaning step of the measuring chamber in order to re-clean the device after measurements with a high particle concentration, for example after a break in a diesel engine.
  • the first lens and the laser absorption device may further be fluidly sealed such that the measuring ⁇ chamber has a homogeneous fluidics. As a result, turbulence in the fluid can be avoided. According to a preferred embodiment of the invention
  • Method include the first and second measurement signals ⁇ infor mation on light amplitudes of the steered on the photodetectors laser beams.
  • the evaluation of the measurement signals for determining the sizes of the particles can thus be based on the so-called Mie theory.
  • the Mie theory is the exact solution of the Maxwell equations for scattering a plane electromagnetic wave on a spherical object (of any size).
  • the incident plane wave and the scattered electromagnetic field are developed into radiating spherical wave functions.
  • the internal field is developed into regular spherical wave functions.
  • the development coefficients of the scattered field and thus the scattered electromagnetic field in each spatial point can be calculated.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an apparatus for determining sizes of particles in a fluid according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic frontal view of a first
  • Fresnel lens for explaining a shape of a first lens according to the first embodiment
  • Fig. 3 is a schematic frontal view of a second
  • Fresnel lens for explaining a shape of a second lens according to the first embodiment
  • Fig. 4 is a schematic frontal view of a third
  • FIG. 5 shows a schematic front view of the second and third lens rings for explaining their arrangement in the device according to the first embodiment
  • FIG. 6 is a schematic front view of a Fresnel lens for explaining a lens optic of an apparatus for determining sizes of particles in a fluid according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a schematic perspective view of a laser-Absorp ⁇ tion device of the apparatus for determining sizes of particles in a fluid according to the second embodiment.
  • Fig. 8 is a schematic flow diagram for Veranschauli ⁇ chen a method for determining sizes of particles in a fluid according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a device 1 for determining sizes of particles in a fluid according to a first embodiment of the present invention.
  • the device 1 has a measuring chamber M and a detector chamber D, between which a lens optic 5 is arranged.
  • a fluid can be passed through the measuring chamber M, which fluid moves through the measuring chamber M of the device 1 essentially perpendicular to the plane of the drawing of FIG.
  • a laser source 20 is provided which generates laser beams 22.
  • the laser source 20 is arranged such that the laser beams 22 are coupled into the fluid, that is, enter the fluid.
  • the laser source 20 is further directed to the lens optics 5, that is to say a beam axis S of the laser beams 22 generated thereon points towards the lens optics 5.
  • a laser absorber 10 is provided on the lens optics 5. That is, laser beams 22 that traverse the fluid substantially unscattered impinge upon the laser absorber 10 where they are absorbed.
  • the laser absorber 10 is a beam sink having a cylindrical cavity 12 facing the laser source 20 into which the unscattered laser beams 22 enter and in which they are absorbed.
  • the cavity 12 has an opening in the direction of the laser source 20.
  • the cavity 12 is enclosed by a substantially cylindrical portion 19 of the laser absorber 10.
  • a rotational symmetry axis of the cylindrical cavity 12 is identical to a rotational symmetry axis of the cylindrical portion 19 and with the beam axis S of the generated laser beams 22.
  • a holding device 16 is connected to the jet sink 10.
  • the holding device 16 has two side sections 18 which are T-shaped in cross-section and which are stably inserted into recesses in two opposite walls W1, W2 in the interior of the device 1 and thus fixed. After removing a cover (eg, parallel to the drawing plane, not shown) and pulling on the holding device 16 in a direction perpendicular to the plane of Figure 1, the holding device 16 can be removed from the device 1, for example, if there is a defect or made a cleaning shall be.
  • At least one of the two T-shaped side portions of the holding device 16 is connected via at least one support arm 17 with the cylindrical portion 19, wherein the at least one support arm 17 extends radially from the cylindrical portion 19.
  • the cylindrical section 19 is surrounded by a first lens 41.
  • the first lens 41 is formed as a first lens ring 41.
  • An inner radius r 1 of the first lens ring 41 is equal to the radius of the cylindrical portion 19, so that the first lens ring 41 encloses the cylindrical portion 19 flush.
  • An outer radius R 1 of the first lens ring 41 is flush with an edge 15 of a circular recess in the holding device 16.
  • a possible movement of the first lens ring 41 in the direction of the measuring chamber M is formschlüs- sig by a truncated cone-like thickening 11 at one of
  • the truncated conical thickening 11 tapers in the direction of the laser source 20 and includes the opening of the Cavity 12. According to one embodiment, the thickening 11 can be attached to the cylindrical portion 19 of the laser absorption ⁇ device 10, for example, be adhered after the first lens ring 41 has been mounted on the cylindrical portion 19.
  • the first lens ring 41 is a pierced Fresnel lens Fl, see FIG. 2.
  • a smooth side 41g of the first lens ring 41 faces the laser source 20 and the measuring chamber M, while a frick-method-structured side of FIG first lens ring 41 facing the detector chamber D is turned. That is, the first lens ring 41 is in the forward scattering direction of the laser beams 22.
  • the first lens ring 41 and the laser absorption device 10 are fluidically sealed in such a way that the fluid can not enter the detector chamber D, starting from the measuring chamber M, that is, they are sealed gas-tight.
  • the inner edge of the edges 15 represents. Furthermore, the first lens ring 41 and the laser absorption device 10 are fluidically sealed in such a way that the measuring chamber M has a homogeneous, that is laminar, fluidics. For fluidic sealing, an adhesive 13 is applied at joints between the first lens ring 41 and the laser absorption device 10.
  • a second lens 42 and a third lens 43 are provided at a detector chamber D facing the end of the cylindrical portion 19 of the laser absorber 10.
  • Ge ⁇ Frankfurtss the first embodiment, the second lens 42, a second lens ring 42 and the third lens, a third lens ring 43.
  • the third lens ring 43 flush includes the cylindrical portion 19, that is an inner radius r3 of the third lens ring 43 is equal to the radius of the cylindrical portion 19.
  • a rotational symmetry axis S3 of the circular hole in the interior of the third lens ring 43 with the inner radius r3 is also the Rotationssym ⁇ metrieachse of the cylindrical portion 19th
  • the third lens ring 43 is surrounded by the second lens ring 42.
  • the third lens ring 43 is encompassed by the second lens ring 42 in the radial direction and may be glued thereto.
  • an outer radius R3 of the third lens ring 43 is equal to an inner radius r2 of the second lens ring 42.
  • the Rota ⁇ tion axis of symmetry S2 of the circular hole in the second lens ring 42 with the inner radius r2 is identical with the axis of rotational symmetry of the cylindrical portion 19 ,
  • a smooth surface 42g of the second lens ring 42 and ei ⁇ ne smooth surface 43g of the third lens ring 43 are coplanar and the detector chamber D faces.
  • the second lens ring 42 is provided with Fres ⁇ nel structures. These will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • Fresnel-type structures are also formed. The Fresnel structures of the third lens ring 43 will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • a nut-like spacers are adjacent to the detector chamber D facing end of the cylindrical portion 19, on the smooth surface 43g of the third Lin ⁇ senrings 43, 14 of the cylindrical portion 19 is formed.
  • the widening 14 may be connected according to an embodiment with the cylindrical portion 19, for example glued, are arranged according ⁇ was the second lens ring 42 around the cylindrical portion 19 around. Movement of the second and third lens rings 42, 43 in the direction of the first lens ring 41, and vice versa, may be prevented by the support arms 17.
  • the support arms 17 separate, that is spaced, the Fresnel-patterned surfaces 41s, 42s, 43s of the lens rings 41, 42, 43 from each other.
  • the support arms 17 are formed in the axial direction of the cylindrical portion 19 is particularly thin. That is, the structured surfaces according to Fresnel method 41s, 42s, 43s of the lens rings 41, 42, 43 are advantageously particularly close to each other ⁇ .
  • the surfaces 42s, 43s may also abut directly on the surface 41s as long as the respective Fresnel structures T are not damaged thereby.
  • the support arms 17 are formed in tangent ⁇ tialer direction of the cylindrical portion 19 is particularly narrow. Thus, only a small fraction of the laser beams deflected by the first lens ring 41 strike
  • the first, second and third lens rings 41, 42, 43 and / or the laser absorption device 10 with the holding device 16 may be made of different materials.
  • they are of the same material Herge ⁇ provides.
  • the material may be, for example, a plastic.
  • a production of PMMA (Plexiglas) gives the individual components a high resistance to a wide variety of chemical substances.
  • the entire lens optic 5 can be manufactured in a single injection molding step, such as by injection molding of a
  • the optical lens system 5 can be replaced perpendicular to the plane of Figure 1, and slightly low by pulling and / or pushing in one direction, the lens optic to be contaminated 5 beM ⁇ interred or strong.
  • the lens optic 5 when manufacturing the lens optic 5 as part of an injection molding / molding technique or rapid prototyping can optionally be dispensed with the support arms 17, since the first, second and third lens rings 41, 42, 43 over other areas of the laser absorption device 10 fixed or monolithic can be connected to each other. It can also all elements of the lens system 5 to the first lens ring 41 in a forming step, for example a spray ⁇ casting step are manufactured monolithically, wherein the first lens ring 41 then can be, for example, by an aligning groove, aligned and mounted. This may be advantageous, for example, if the first, second and / or third lens rings 41, 42, 43 are shaped as a section of an aspherical Fresnel lens.
  • a first photodetector 51 and a second photodetector 52 are formed on an inner wall W3 of the detector chamber D.
  • the inner wall W3 of the detector chamber D faces the lens optic 5 and the light source 20 located behind it.
  • the first and the second photodetectors 51, 52 are formed at the same radial distance from the rotational symmetry axis of the cylindrical section 19 of the laser absorption device 10, which simultaneously corresponds to the beam axis S of the unscattered laser beams 22.
  • the photodetectors 51, 52 may be, for example, avalanche photodiodes.
  • the photodetectors 51, 52 are designed to measure light amplitudes, that is to say radiation powers of laser beams 28, 28 which impinge on the photodetectors. Based on the measured Light amplitudes generated by the first photodetector 51 first measurement signals and the second photodetector 52 second Messsigna ⁇ le.
  • the two photodetectors 51, 52 are coupled to an evaluation device 53, which evaluates the measuring signals of the two Pho ⁇ todetektoren 51, 52nd
  • a database can be formed for this purpose, which contains reference patterns and / or criteria, by means of which the measurement signals can be classified.
  • the particles, which have caused the respective measurement signals can be divided into size classes. For example, particles comprising a light amplitudes ⁇ relationship between a first and a second value comparable reasons, be divided into a first magnitude, and particles that cause the light amplitude ratio between the second and a third value, are classified into a second size class and so further. For this purpose, for example, a ratio of the measured light ⁇ amplitudes can be formed. Different sized particles lead to different ratios of light amplitudes. Based on the so-called Mie theory can be made of such
  • Ratios on the size of the particle on which the laser ⁇ rays were scattered be deduced.
  • the scattered laser beam 24 impinges on the smooth surface 41g of the first lens ring 41 and is deflected by it. directs.
  • the thus deflected laser beam 26 is directed to the second lens ring 42, from which it is deflected again.
  • This redirected laser beam 28 is directed to the first photodetector 51, where it - together with all other incident on the first photodetector 51 laser beams 28 - is measured.
  • the further scattered laser beam 24 'strikes the first lens ring 41 in such a way that it is deflected onto the third lens ring 43 as a deflected laser beam 26'.
  • the third lens ring 43 directs the deflected laser beam 26 'as again deflected laser beam 28' on the second photodetector 52, where he - together with all other impinging on the second photodetector 52 laser beams 28 ⁇ - is measured.
  • the laser beams scattered on the particles 30 can be classified into four categories, depending on how large angles they are deflected from the beam axis S. If they are not or only slightly deflected, they hit the laser absorption device 10. If they are deflected at slightly larger angles, they are ultimately directed in the majority of the second photodetector 52. If they are deflected in turn at larger angles, they are ultimately directed to the first photodetector 51 for the most part. If they are deflected at even larger angles, for example 90 ° or more, they no longer impinge on the lens optics 5, but for example on the inner walls W1, W2 of the measuring chamber M.
  • the exemplary laser beams 22, 24, 24 ', 26, 26', 28, 28 'depicted in FIG. 1 do not lie directly in the cross-sectional plane of FIG. 1, but are arranged above the plane of the drawing of FIG Holding arms 17 pass by.
  • the evaluation device 53 can furthermore be coupled to a control device.
  • the control device can For example, based on the results of the evaluation device 53 control a flow of the fluid. For example, when exceeding or falling below certain limit values, the flow of fluid through the measuring chamber M can be increased or decreased, for example by opening or closing a flap designed for this purpose.
  • the control device can thus be used, for example, to generate a fluid flow with a substantially constant number of particles 30 per unit of time.
  • the evaluation device 53 can also be connected to a recording device which can systematically record and store the results of the evaluation device 53.
  • 2 is a schematic front view of a first Fresnel lens Fl for explaining a shape of a first lens according to the first embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic front view of a first Fresnel lens Fl with a plurality of Fresnel structures T.
  • the first Fresnel lens Fl is rotationssymmet ⁇ driven about a first optical axis OA1.
  • the first lens 41 according to the first embodiment of the present invention is shaped as if a circular disk had been concentrically cut out of the first Fresnel lens F1.
  • concentric is meant that a Rotationssymmet ⁇ rieachse Sl of the cut disc is identical to the optical axis OA1 of the untreated first Fresnel lens Fl.
  • the first lens ring 41 thus has a inne- ren radius rl on which the radius of the An outer profile, in particular an outer radius R 1 of the first lens ring 41, corresponds to an outer profile, in particular the radius of the first Fresnel lens F1.
  • FIG 3 is a schematic front view of a second Fresnel lens for explaining a shape of a second lens 42 according to the first embodiment.
  • the second lens 42 is formed as if it were an eccentric annular portion of a second Fresnel lens F2.
  • eccentric it is meant that a rotational symmetry axis of the circular hole in the second lens ring 42 is offset in parallel relative to an optical axis OA2 of the second Fresnel lens F 2.
  • the second Fresnel lens F 2 is identical in construction the first Fresnel Lin- se Fl and thus likewise rotationally symmetrical about its opti ⁇ cal axis OA2.
  • the eccentrically ⁇ cut second lens ring 42 is not rotationally symmetric, due to the formed Fresnel structures T, since it has no rotationally symmetric surface.
  • An inner radius r2 of the second lens ring 42 is smaller than an outer radius R2 of the second lens ring, which in turn is smaller than a radius of the second Fresnel lens F2.
  • FIG. 4 is a schematic front view of a third Fresnel lens for explaining a shape of a third lens 43 according to the first embodiment.
  • the third lens 43 is ge ⁇ formed as if it were an eccentric annular section of a third Fresnel lens F3.
  • the third Fresnel lens F3 is rotationally symmetrical about its optical axis OA3 and is also identical in construction to the first and the second Fresnel lens Fl, F2.
  • the rotational symmetry axis S3 of the circular ⁇ shaped hole in the interior of the third lens ring 43 is sawn schreib offset parallel to the optical axis OA3 of the third Fresnel lens F3, and is further displaced parallel bezüg ⁇ Lich the rotational symmetry axis S2 of the circular hole in the interior of the second lens ring 42 if the second lens ring 42 were projected onto the third Fresnel lens F3 in accordance with its position in the second Fresnel lens F2.
  • the second rotational symmetry axis S2 and the third rotational symmetry axis S3 with respect to the optical axes OA2, OA3 of the two ⁇ th and third Fresnel lenses F2, F3 offset in opposite directions.
  • the optical axes OA2, OA3 were located at the origin of a Cartesian coordinate system, the second rotational symmetry axis S2 would be offset approximately on the negative x-axis, while the third rotational symmetry axis S3 would be offset in parallel on the positive x-axis.
  • the second and third Ro ⁇ tationssymmetrieachse S2, S3 with the optical axis OA2, OA3 as an apex form an angle other than 180 °. Particularly advantageous angle between 90 ° and 270 °, particularly in the ⁇ between 135 ° and 225 °.
  • the positions of the sections from the Fresnel lenses F2, F3 can be based on the arrangement of the photodetectors 51, 52 in the detector chamber D, since the eccentricity of the second or third lens ring 42, 43 -in addition to the Fresnel structures T - co-determined how much a laser beam incident on the corresponding lens ring 42, 43 is deflected.
  • an inner radius r3 of the circular hole in the interior of the third lens ring 43 is smaller than an outer radius R3 of the third lens ring, which in turn is smaller than a radius of the third Fresnel lens F3. Furthermore, the outer radius R3 of the third lens ring 43 is substantially equal to the inner radius r2 of the second lens ring 42.
  • FIG. 5 is a schematic front view of the second and third lens rings for explaining their arrangement in the apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 illustrates that, according to the first embodiment, the second lens ring 42 is flush with the third lens ring 43.
  • the third lens ring 43 thus lies within the circular hole within the second lens ring 42.
  • the second rotational symmetry axis S2 is located exactly on the third Rotational symmetry axis S3.
  • the first, second and / or third lens ring 41, 42, 43 could also be formed as oval rings.
  • the rotational symmetry axes S2, S3 would then be suitably replaced by approximately perpendicular to the geometric centroids of elliptical holes within the second and third lens rings 42, 43, respectively.
  • the holding device 16 would have to be changed only slightly.
  • lens rings 41, 42, 43 rigidly connected to each other, they can be made in a common injection molding step.
  • the third lens ring 43 is flush formed with a single mold in a single injection molding step.
  • the subdivision into a second and a third lens ring 42, 43 in this case thus serves only to describe and does not mean any actual physical separation of components.
  • FIG. 6 shows a schematic frontal view of a Fresnel lens for explaining a lens optic of a device for determining sizes of particles according to a second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment is a variant of the first off ⁇ management form and differs from that essentially only by the design of the lens system.
  • the first Fresnel lens Fl ⁇ has a rectangular, in particular a square outer profile.
  • OA1 ⁇ of the first Fresnel lens Fl ⁇ diametrically ge ⁇ genüber march corners of the first Fresnel lens Fl ⁇ each have a bore Bl.
  • the holes Bl are perpendicular to the first Fresnel lens Fl that is parallel to the optical axis OA1 ⁇ .
  • the first lens 41 is formed as if a circular disk had been cut out concentrically from the first Fresnel lens Fl ⁇ .
  • the first lens on the rectangular, in particular square, outer profile and the two with respect to the cut out ⁇ circular disc diametral bores Bl.
  • the second and third lenses are still different in each case eccentrically excised from Fresnel lenses, which are identical to the first Fresnel lens Fl ⁇ , analogous to that already described in relation to Figures 3 and 4.
  • FIG. the second lens, the rectangular, in particular square outer profile and the two with respect to the cut-out circular disc diametrical holes Bl on.
  • the third lens according to the second embodiment is identical We ⁇ sentlichen with the third lens 43 according to the first embodiment, since the outer profile of the Fresnel lens does not affect the third lens.
  • 7 shows a schematic oblique view of a laser absorption device 10 of a lens system 5 of the device 1 for determining sizes of particles according to the second embodiment.
  • the second embodiment 16 has formed on the laser absorption device 10 holding device ⁇ a H-shaped cross section defined by the Anein- of the two T-shaped side portions 18 on the other lay along the vertical lines in the corresponding "T's" is formed.
  • the holding means can be inserted in the rest of the device 1 16 ⁇ , as described in reference to FIG. 1. in this case, cuboidal recesses engage around in the opposite walls Wl, W2 flush the T-shaped side portions 18.
  • a thin plate P is formed between the T-shaped side portions 18, corresponding to the transverse line of the "H" in the H-shaped cross section, in the thin plate P be ⁇ finds a circular opening F, whose rotational symmetry axis in the middle between the two T-shaped side portions located.
  • the Rotationssymmet ⁇ rieachse the opening F is also the Rotationssymmetrie- axis of the cylindrical portion 19.
  • the two bracket ⁇ arms 17 are coplanar, are the same thickness as the thin plate P, and extend from opposite edge portions of the Opening F in each case up to the cylindrical portion 19th
  • holes B2 are provided, which equal in diameter to the holes Bl in the first Fresnel lens Fl ⁇ .
  • the frustoconical thickening 11 and the nut-like enlargement 14 of the laser absorption device are not shown for the sake of clarity. They can be seen optional pre ⁇ .
  • the third lens is included by the second lens as described with reference to FIG. 5 for the second and third lens rings 42, 43 according to the first embodiment.
  • the first lens is incident from a direction V perpendicular to the thin plate P. the thin plate P applied so that each bore Bl and B2 are aligned. From a direction H, which is opposite to the direction V, the second lens and the third lens are applied to the thin plate P, so that each have a bore Bl and B2 in alignment with each other.
  • the first lens, the second lens and the intermediate plate P are connected to each other through the aligned holes Bl, B2, Bl, for example screwed.
  • Fig. 8 shows a schematic flow chart illustrating a method for determining ⁇ union of sizes of particles in a fluid according to another aspect of the present invention.
  • SOI the laser beams 22 are coupled into the fluid.
  • the laser beams 24, which are scattered on the particles 30 in the fluid are at least partially directed by means of the lens 41 onto a second lens 42 and / or a third lens 43.
  • ⁇ is particularly meant that not all scattered at the Par ⁇ tikeln 30 in the fluid beams 20 necessarily incident on the first lens 41st
  • a step S03 the laser beams 26, which take from ⁇ continuously from the first lens 41 to the second lens 42 onto ⁇ are directed by the second lens 42 substantially in the direction of the first photodetector 51st Furthermore, in a step S04, laser beams 26 ', which impinge on the third lens 43 on the basis of the first lens 41, are directed onto the second photodetector 52 by means of the third lens 43.
  • first measurement signals are generated by means of the first photodetector 51 as a function of the laser beams 28 directed onto it.
  • second measurement signals are generated by means of the second photodetector 52 as a function of the laser beams 28 'guided thereon. The generated measurement signals are evaluated in a step S07 for determining sizes of the particles 30, as explained in more detail above, in particular with reference to FIG.
  • wei ⁇ tere lenses can be used in addition a fourth or, wherein the second lens comprises the third lens, the third lens comprising the fourth lens and so on.
  • the fourth and several further lenses may also be eccentric cutouts made of Fresnel lenses.
  • some or all of the first, second, third, fourth and several further lenses may be eccentric or concentric cutouts of Fresnel lenses or of other lens types.
  • said fourth lens directs laser beams onto a third photodetector
  • a fifth lens directs laser beams onto a fourth photodetector and so on.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid. Weiterhin schafft sie ein Verfahren zum Bestimmen einer Anzahl von Partikeln in einem Fluid sowie Herstellungs- verfahren für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Das Verfahren zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid weist auf : eine Linsenoptik (5) mit einer Laser-Absorptionseinrichtung (10), welche von einer Laserquelle (20) ausgestrahlte ungestreute Laserstrahlen (22) absorbiert, wobei die Laser- Absorptionseinrichtung (10) von einer ersten, zweiten und dritten Linse (41, 42, 43) umfasst ist, wobei die erste Linse (41) gestreute Laserstrahlen (24 auf die zweite Linse (42) und/oder die dritte Linse (43) lenkt, wobei die zweite Linse (41) Laserstrahlen (26), welche ausgehend von der ersten Linse (41) auf die zweite Linse (42) auftreffen, im Wesentlichen auf einen ersten Photodetektor (51) lenkt, erste Messsignale erzeugt, wobei die dritte Linse (43) Laserstrahlen (26'), welche ausgehend von der ersten Linse (41) auf die dritte Linse (43) auftreffen, im Wesentlichen auf einen zweiten Photodetektor (52) lenkt, welcher zweite Messsignale erzeugt; und eine Auswerteeinrichtung (53), welche die Messsignale der beiden Photodetektoren (51, 52) zum Bestimmen der Größen der Partikel (30) auswertet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid. Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Anzahl von Partikeln in einem Fluid sowie Her- stellungsverfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung .
Das Detektieren von Partikeln und das Bestimmen ihrer Größe spielt eine zentrale Rolle bei vielen technischen Aufgaben- Stellungen. Beispielsweise können Partikel in einem Fluid vor und nach einem Filter detektiert und ihre Größe bestimmt wer¬ den, um eine Effektivität des Filters zu bestimmen.
Bei einem Laser-basierten Detektieren von Partikeln wird ein Laserstrahl in das Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, üblicherweise aber ein Gas oder Gasgemisch wie Luft,
eingekoppelt, welches die zu detektierenden Partikel aufwei¬ sen kann. Das Laserlicht kann an den Partikeln gestreut werden und wird unter bestimmten Winkeln aufgefangen. Ein da- durch entstehendes Signal kann gemessen und daraus beispiels¬ weise auf die Partikelgröße geschlossen werden.
Die detektierbare Partikelgröße kann durch das Signal-Rausch- Verhältnis ( „signal-to-noise ratios" SNR) begrenzt werden. Bei großen Aufbauten können komplexe optische Systeme reali¬ siert werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Bei Anwendungen, bei welchen eine weitestgehende Miniaturisierung vorteilhaft ist, werden alternative Maßnahmen getrof¬ fen. Beispielsweise können Spiegel oder großflächige Linsen eingesetzt werden, um eine größere Menge gestreuten Laser¬ lichts aufzufangen. In der US 5 085 500 A ist ein Laser-basierter Partikelzähler beschrieben, welcher Licht aufnimmt, welches von Partikeln gestreut wird, die in einem Fluid ein Messvolumen durchque¬ ren. Zum Aufnehmen des Lichts sind mehrere Photodetektoren so angeordnet, dass nur gestreute Laserstrahlen auf sie treffen können. Zur Erzeugung eines Laserstrahls mit geeigneten Eigenschaften durchläuft ein von einer Quelle erzeugter Laserstrahl mehrere Blenden. Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 sowie ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und ein Herstellungsver- fahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Demgemäß ist vorgesehen eine Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid mit: einer Linsenoptik, die aufweist: eine Laser-Absorptionseinrichtung, welche von einer Laserquelle ausgestrahlte Laserstrahlen, die durch das Fluid im Wesentlichen ungestreut hindurchtreten, absorbiert, wobei die Laser-Absorptionseinrichtung von einer ersten Linse und von einer zweiten Linse und von einer dritten Linse um- fasst ist,
wobei die erste Linse von der Laserquelle ausgestrahlte La¬ serstrahlen, welche an den Partikeln in dem Fluid gestreut werden, zumindest teilweise auf die zweite Linse und/oder die dritte Linse lenkt, wobei die zweite Linse Laserstrahlen, welche ausgehend von der ersten Linse auf die zweite Linse auftreffen, im Wesent¬ lichen auf einen ersten Photodetektor lenkt, welcher in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten Laserstrahlen erste Messsig- nale erzeugt, wobei die dritte Linse Laserstrahlen, welche ausgehend von der ersten Linse auf die dritte Linse auftreffen, im Wesent- liehen auf einen zweiten Photodetektor lenkt, welcher in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten Laserstrahlen zweite Messsignale erzeugt; und mit einer Auswerteeinrichtung, welche die Messsignale der beiden Photodetektoren zum Bestimmen der Größen der Partikel auswertet .
Weiterhin ist vorgesehen ein Verfahren zum Bestimmen von Grö- ßen von Partikeln in einem Fluid mit den Schritten:
Einkoppeln von Laserstrahlen in das Fluid; Ablenken von Laserstrahlen, welche an den Partikeln in dem Fluid gestreut werden, mittels einer ersten Linse zumindest teilweise auf eine zweite Linse und/oder eine dritte Linse;
Lenken von Laserstrahlen, welche ausgehend von der ersten Linse auf die zweite Linse auftreffen, mittels der zweiten Linse auf einen ersten Photodetektor;
Lenken von Laserstrahlen, welche ausgehend von der ersten Linse auf die dritte Linse auftreffen, mittels der dritten Linse auf einen zweiten Photodetektor;
Erzeugen von ersten Messsignalen mittels des ersten Photodetektors in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten Laserstrahlen; Erzeugen von zweiten Messsignalen mittels des zweiten Photodetektors in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten Laserstrah- len;
Auswerten der Messsignale der beiden Photodetektoren zum Bestimmen der Größen der Partikel.
Weiterhin ist vorgesehen ein Verfahren zum Bestimmen einer Anzahl von Partikeln in einem Fluid,
wobei innerhalb eines Zeitraums kontinuierlich ein erfin¬ dungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen der Größe der Partikel in dem Fluid durchgeführt wird; wobei bei jedem Bestimmen der Größe eines der Partikel ein Zähler um eins erhöht wird, falls die jeweilige bestimmte Größe des Partikels einen vor¬ bestimmten Mindestwert überschreitet; und wobei anschließend an den Zeitraum basierend auf dem Zähler und dem Zeitraum die Anzahl der Partikel in dem Fluid bestimmt wird. Der vorbe- stimmte Mindestwert kann insbesondere auch Null sein, das heißt der Zähler wird von jedem Partikel, dessen Größe be¬ stimmt wird, erhöht. Dazu kann ein Fluss des Fluids bekannt sein oder über eine
Fluss-Messeinrichtung gemessen werden. Es kann weiterhin eine Messeffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens bekannt sein, das heißt, wie viel Prozent der tatsächlich im Fluid befind¬ lichen Partikel durchschnittlich von dem Verfahren erfasst werden. Der Zähler kann basierend auf der Messeffizienz modifiziert werden, um eine tatsächliche Anzahl der in dem Fluid befindlichen Partikel zu bestimmen. Aus dem Fluss, dem Zähler und der Messeffizienz kann auch auf eine Konzentration der Partikel in dem Fluid geschlossen werden.
Weiterhin ist vorgesehen ein Verfahren zum Herstellen einer Linsenoptik für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid mit den Schritten: Spritzgießen der ersten Linse in einem ersten Spritz- gussschritt ; Spritzgießen der zweiten Linse, der dritten Linse und der Laser-Absorptionsvorrichtung in einem zweiten Spritzgussschritt; und Montieren der ersten Linse auf der La¬ ser-Absorptionsvorrichtung . Schließlich ist vorgesehen ein Verfahren zum Herstellen einer Linsenoptik für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid mit dem Schritt: Spritzgießen der ersten Linse, der zweiten Linse, der dritten Linse und der Laser-Absorptionsvorrichtung in einem einzelnen Spritzgussschritt.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass durch Anordnen mehrerer verschiedener Linsen um eine zentrale Strahlsenke eine besonders kompakte und gleichzeitig besonders effiziente Linsenoptik geschaffen werden kann, welche für eine Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln verwendet werden kann. Entsprechend der Anordnung der zweiten und dritten Linsen werden Laserstrahlen mit unterschiedlichen Streuwinkeln - auch an ein und demselben Partikel - verschieden auf den ersten oder den zweiten Photodetektor gelenkt. Durch Messen einer Lichtamplitude bzw. einer Strahlungsleistung jeweils an den Photodetektoren können somit Informationen über die Verteilung der Streuwinkel gewonnen werden. Beispielsweise können kleinere Partikel zu mehr Streuwinkeln mit kleineren Winkelwerten führen als größere Partikel, welche verhältnismäßig zu mehr Streuwinkeln mit größeren Winkelwerten führen können.
Die Realisierung der Messung, also des Bestimmens der Parti¬ kelgrößen, mittels zweier Winkelinformationen, nämlich jeweils von einem der Photodetektoren, ermöglicht das Verrin- gern eines Hintergrundsignals (Rauschens) durch zufällige Re¬ flexionen des Laserlichts. Das heißt, das Signal-Rausch- Verhältnis (SNR) kann höher sein.
Durch die Herstellung von Teilen oder von der ganzen Linsen- optik mittels Spritzgießens kann die Linsenoptik weiter verkleinert werden. Zudem ist die Herstellung mittels eines Spritzgussverfahrens sehr präzise, sodass Schwankungen bei Eigenschaften optischer Komponenten (z.B. bei den Linsen) und Einbauungenauigkeiten minimiert werden können. Es können auch Montage- und manuelle Ausrichtungsschritte entfallen.
Insbesondere das Spritzgießen von Kunststoffen, vorzugsweise Plexiglas, kann zu deutlichen Herstellungskosten und Herstel- lungsgeschwindigkeitsvorteilen führen .
Durch die kompakte und gleichzeitig effiziente Ausführung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in diversen Bereichen eingesetzt werden, etwa der Industrie, der Infrastrukturbranche, bei der Gebäudetechnologie, der Umweltüberwachung (etwa zum Vermessen von Feinstaub und Hyperfeinstaub) oder in Fahr¬ zeugen (Vermessen einer Filtereffizienz) . Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die zweite Linse die dritte Linse zumin¬ dest teilweise. Mit „Umfassen" ist hierbei insbesondere ge¬ meint, dass die dritte Linse in eine Aussparung oder ein Loch in der zweiten Linse eingesetzt ist oder durch das Loch hin- durchgeführt ist. Es gibt also eine Querschnittsebene, in welcher der Querschnitte durch die dritte Linse vollständig von dem Querschnitt der zweiten Linse mittelbar oder unmittelbar umschlossen ist. Somit sind die beiden Linsen besonders platzsparend angeordnet, wodurch die Vorrichtung stärker miniaturisiert werden kann. Zudem ist eine solche Anordnung gasdicht, wenn die zweite Linse die dritte Linse bündig um¬ fasst, d.h. wenn das Loch in der dritten Linse durch die zweite Linse vollständig verschlossen wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfassen die zweite Linse und die dritte Linse noch mindestens eine weite¬ re Linse. Es kann auch mindestens ein weiterer Photodetektor vorgesehen sein, auf welchen die mindestens eine weitere Lin¬ se auf sie auftreffende Laserstrahlen lenkt. Sind mehrere weitere Linsen vorgesehen, kann jeweils eine Linse eine Linse mit einem nächstkleineren Außenradius umfassen, sodass sich eine als „zielscheibenartig" beschreibbare Anordnung ergibt. Für jede weitere Linse nach der dritten Linse kann ein weite¬ rer Photodetektor vorgesehen sein, auf welchen die jeweilige Linse Laserstrahlen lenkt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste Linse als ein konzentrischer erster Ausschnitt aus einer ersten Fresnel-Linse ausgebildet. Die erste Linse kann das
Streulicht, also gestreute Laserstrahlen, homogen, das heißt gleichmäßig, auf die zweite und/oder dritte Linse abbilden. Die zweite Linse kann als ein exzentrischer zweiter Ausschnitt aus einer zweiten Fresnel-Linse ausgebildet sein. Ferner kann die dritte Linse als ein exzentrischer dritter Ausschnitt aus einer dritten Fresnel-Linse ausgebildet sein. Fresnel-Linsen sind dünn, einfach herstellbar, besitzen ein hohes Verhältnis von Durchmesser zu Brennweite und sind für alle Geometrien einfach berechenbar.
Durch den exzentrischen Schnitt der zweiten und dritten Linse wird das auf sie auftreffende Laserlicht ebenfalls exzent¬ risch auf die Photodetektoren gelenkt, das heißt abgebildet.
Vorteilhafterweise sind die exzentrisch geschnittene zweite und die von ihr umschlossene exzentrisch geschnittene dritte Linse in Strahlrichtung des eingekoppelten Laserstrahls hinter der konzentrisch geschnittenen ersten Linse angeordnet. Dies ermöglicht eine Abbildung von auf die Linsenoptik auf¬ treffenden Laserstrahlen mit niedrigen Abbildungsfehlern, welche eine besonders kurze Bildweite der Linsenoptik ermög¬ licht. Dadurch kann die Linsenoptik sehr kompakt gehalten werden, was zur Miniaturisierbarkeit der Vorrichtung bei- trägt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zwei oder drei der ersten Fresnel-Linse, der zweiten Fresnel-Linse und der dritten Fresnel-Linse einander baugleich. Dadurch kann sich das Berechnen der Geometrien vereinfachen. Zudem kann der Herstellungsaufwand vermindert werden, da nicht mehrere verschiedene Fresnel-Struktur-Formen, etwa zum Spritzgießen, bereitgestellt werden müssen. Die Linsen können konfokal ausgerichtet sein, wodurch die Ab¬ bildung von zufälligem, zum Beispiel an der Laser-Absorptionsvorrichtung reflektiertem Licht des Lasers auf die Photodetektoren minimiert werden kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Halteeinrichtung an der Laser-Absorptionseinrichtung ausgebildet, mit welcher zumindest die erste Linse und die zweite Linse verschraubt und/oder verklebt sind. Alternativ können auch die erste und die zweite Linse und/oder die Laser- Absorptionseinrichtung direkt miteinander verklebt sein.
Alternativ können eine Halteeinrichtung der Laser-Absorp- tionseinrichtung, die Laser-Absorptionseinrichtung und zumindest die zweite Linse und die dritte Linse als monolithisches Bauteil ausgebildet sein. In beiden Varianten kann die Linsenoptik mittels der Halteeinrichtung in oder an der Vorrichtung fixierbar und aus der Vorrichtung wieder entnehmbar sein. Dadurch kann die Linsenoptik bei einer etwaigen Verschmutzung oder Beschädigung leicht und mit geringem technischem Aufwand ausgetauscht werden. Die erste, zweite und dritte Linse können über Markierungen, beispielsweise in Form von Nuten oder Bohrungen, relativ zu oder an der Halteein- richtung in einer fixen und bekannten Position gehalten werden. Die Halteeinrichtung kann dafür den Nuten bzw. den Bohrungen entsprechende Pendants aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die La- ser-Absorptionsvorrichtung eine Strahlsenke (oder: Strahlfalle) mit einem in Richtung der Laserquelle geöffneten Hohlraum auf, in welchen die Laserstrahlen, die durch das Fluid im Wesentlichen ungestreut hindurchtreten, eintreten. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Messkammer auf, durch welche das Fluid
durchleitbar ist;
eine Detektorkammer, in welcher der erste Photodetektor und der zweite Photodetektor vorgesehen sind; und eine Laserquel- le, welche die Laserstrahlen erzeugt. Die Laserstrahlen sind durch die Messkammer hindurch auf die Laser-Absorptionseinrichtung der Linsenoptik gerichtet. Die Linsenoptik ist zwischen der Messkammer und der Detektorkammer angeordnet. Die Laserquelle kann eine Lasererzeugungseinrichtung zum Emittie- ren eines vorläufigen Laserstrahls, beispielsweise eine la¬ seremittierende Diode (LED) sowie eine Laserquellen-Linsen¬ optik, beispielsweise zur Kollimation des vorläufigen Laserstrahls in den zu streuenden Laserstrahl, aufweisen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste Linse und die Laser-Absorptionsvorrichtung derart fluidisch abgedichtet, dass das Fluid von der Messkammer ausgehend nicht in die Detektorkammer eintreten kann. Der optische Aufbau, insbesondere die Linsenoptik, ist hierdurch gasdicht. Somit kann das Vorsehen eines Mantels aus gereinigter Luft (sog. „sheath air") um das Fluid herum zur Vermeidung einer funktionsstörenden Partikelkontamination der Vorrichtung un- nötig bzw. Entbehrlich sein.
Weiterhin können so auch die Detektorkammer, insbesondere die Photodetektoren, vor Verschmutzung und Beschädigung geschützt werden. Die Dichtheit der Linsenoptik ermöglicht es, einen Reinigungsschritt der Messkammer durchzuführen, um die Vorrichtung nach Messungen mit einer hohen Partikelkonzentration, beispielsweise nach einem Bruch eines Dieselmotors, wieder zu reinigen. Die erste Linse und die Laser-Absorptionsvorrichtung können weiterhin derart fluidisch abgedichtet sein, dass die Mess¬ kammer eine homogene Fluidik aufweist. Hierdurch können Turbulenzen in dem Fluid vermieden werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfassen die ersten und zweiten Messsignale Infor¬ mationen über Lichtamplituden der auf die Photodetektoren gelenkten Laserstrahlen. Das Auswerten der Messsignale zum Bestimmen der Größen der Partikel kann somit basierend auf der sogenannten Mie-Theorie erfolgen.
Die Mie-Theorie ist die exakte Lösung der Maxwell-Gleichungen für die Streuung einer ebenen elektromagnetischen Welle an einem sphärischen Objekt (beliebiger Größe) . Dabei werden die einfallende ebene Welle und das gestreute elektromagnetische Feld in abstrahlende sphärische Wellenfunktionen entwickelt. Das interne Feld wird in reguläre sphärische Wellenfunktionen entwickelt. Über die Randbedingungen auf der Kugeloberfläche können dann die Entwicklungskoeffizienten des gestreuten Feldes und damit das gestreute elektromagnetische Feld in jedem Raumpunkt berechnet werden. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Vor- richtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Frontalansicht auf eine erste
Fresnel-Linse zum Erläutern einer Form einer ersten Linse gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine schematische Frontalansicht auf eine zweite
Fresnel-Linse zum Erläutern einer Form einer zweiten Linse gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine schematische Frontalansicht auf eine dritte
Fresnel-Linse zum Erläutern einer Form einer dritten Linse gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 5 eine schematische Frontalansicht auf den zweiten und dritten Linsenring zum Erläutern ihrer Anordnung in der Vorrichtung gemäß der ersten Ausfüh- rungsform;
Fig. 6 eine schematische Frontalansicht auf eine Fresnel- Linse zum Erläutern einer Linsenoptik einer Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Schrägansicht einer Laser-Absorp¬ tionsvorrichtung der Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid gemäß der zweiten Ausführungsform; und
Fig. 8 ein schematisches Flussdiagramm zum Veranschauli¬ chen eines Verfahrens zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung .
Gemäß der ersten Ausführungsform weist die Vorrichtung 1 eine Messkammer M und eine Detektorkammer D auf, zwischen denen eine Linsenoptik 5 angeordnet ist. Durch die Messkammer M ist ein Fluid durchleitbar, welches sich im Wesentlichen senk- recht zu der Zeichenebene der Figur 1 durch die Messkammer M der Vorrichtung 1 hindurch bewegt. An einer der Linsenvorrichtung 5 gegenüber liegenden Seite WO der Messkammer M ist eine Laserquelle 20 vorgesehen, welche Laserstrahlen 22 erzeugt. Die Laserquelle 20 ist derart angeordnet, dass die La- serstrahlen 22 in das Fluid eingekoppelt werden, das heißt in das Fluid eintreten. Die Laserquelle 20 ist weiterhin auf die Linsenoptik 5 gerichtet, das heißt eine Strahlachse S der er¬ zeugten Laserstrahlen 22 weist auf die Linsenoptik 5. Im Strahlengang der Laserstrahlen 22 ist an der Linsenoptik 5 eine Laser-Absorptionseinrichtung 10 vorgesehen. Das heißt, Laserstrahlen 22, welche das Fluid im Wesentlichen ungestreut durchqueren, treffen auf die Laser-Absorptionseinrichtung 10 auf, wo sie absorbiert werden. Gemäß der ersten Ausführungs- form ist die Laser-Absorptionseinrichtung 10 eine Strahlsenke mit einem in Richtung der Laserquelle 20 weisenden zylinderförmigen Hohlraum 12, in welche die ungestreuten Laserstrahlen 22 eintreten und in welcher sie absorbiert werden. Dazu weist der Hohlraum 12 in Richtung der Laserquelle 20 eine Öffnung auf. Der Hohlraum 12 in von einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 19 der Laser-Absorptionseinrichtung 10 umschlossen. Eine Rotationssymmetrieachse des zylindrischen Hohlraums 12 ist identisch mit einer Rotationssymmetrieachse des zylindrischen Abschnitts 19 und mit der Strahlachse S der erzeugten Laserstrahlen 22.
Mit der Strahlsenke 10 ist eine Halteeinrichtung 16 verbun- den. Die Halteeinrichtung 16 weist zwei im Querschnitt T-för- mige Seitenabschnitte 18 auf, welche in Aussparungen in zwei gegenüberliegenden Wänden Wl, W2 im Inneren der Vorrichtung 1 stabil eingeführt und somit fixiert sind. Nach Abnehmen einer Abdeckung (bspw. parallel zur Zeichenebene, nicht gezeigt) und durch Ziehen an der Halteeinrichtung 16 in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1 kann die Halteeinrichtung 16 aus der Vorrichtung 1 entnommen werden, beispielsweise wenn ein Defekt vorliegt oder eine Reinigung vorgenommen werden soll.
Zumindest einer der beiden T-förmigen Seitenabschnitte der Halteeinrichtung 16 ist über mindestens einen Halterungsarm 17 mit dem zylindrischen Abschnitt 19 verbunden, wobei der mindestens eine Halterungsarm 17 radial von dem zylindrischen Abschnitt 19 ausgeht.
An einer der Messkammer M und der Laserquelle 20 zugewandten Seite der Linsenoptik 5 ist der zylindrische Abschnitt 19 von einer ersten Linse 41 umfasst. Gemäß der ersten Ausführungs- form ist die erste Linse 41 als ein erster Linsenring 41 ausgebildet. Ein innerer Radius rl des ersten Linsenrings 41 ist gleich groß wie der Radius des zylindrischen Abschnitts 19, so dass der erste Linsenring 41 den zylindrischen Abschnitt 19 bündig umschließt.
Ein äußerer Radius Rl des ersten Linsenrings 41 wird bündig von einem Rand 15 einer kreisförmigen Aussparung in der Halteeinrichtung 16 umfasst. Eine mögliche Bewegung des ersten Linsenrings 41 in Richtung der Messkammer M wird formschlüs- sig durch eine kegelstumpfartige Verdickung 11 an einem der
Messkammer M zugewandten Ende des zylindrischen Abschnitts 19 verhindert. Die kegelstumpfartige Verdickung 11 verjüngt sich in Richtung der Laserquelle 20 und umfasst die Öffnung des Hohlraums 12. Gemäß einer Ausführungsform kann die Verdickung 11 an dem zylindrischen Abschnitt 19 der Laser-Absorptions¬ einrichtung 10 angebracht, beispielsweise angeklebt werden, nachdem der erste Linsenring 41 auf dem zylindrischen Ab- schnitt 19 angebracht wurde.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist der erste Linsenring 41 eine durchbohrte Fresnel-Linse Fl, siehe Figur 2. Eine glatte Seite 41g des ersten Linsenrings 41 ist der Laserquelle 20 sowie der Messkammer M zugewandt, während eine nach der Fres- nel-Methode strukturierte Seite des ersten Linsenrings 41 in Richtung der Detektorkammer D gewandt ist. Das heißt, der erste Linsenring 41 liegt in Vorwärtsstreurichtung der Laserstrahlen 22.
Der erste Linsenring 41 und die Laser-Absorptionsvorrichtung 10 sind fluidisch derart abgedichtet, dass das Fluid von der Messkammer M ausgehend nicht in die Detektorkammer D eintreten kann, das heißt sie sind gasdicht abgedichtet. Dazu ist die Fläche zwischen der ersten Linse 41 und den T-förmigen
Seitenabschnitten 18 der Halteeinrichtung 16 mit einer dünnen Platte der Halteeinrichtung 16 verschlossen, welche eine kreisrunde Aussparung aufweist, deren Innenrand die Ränder 15 darstellt. Weiterhin sind der erste Linsenring 41 und die La- ser-Absorptionsvorrichtung 10 derart fluidisch abgedichtet, dass die Messkammer M eine homogene, das heißt laminare Flui- dik aufweist. Zum fluidischen Abdichten ist ein Klebstoff 13 an Fugen zwischen dem ersten Linsenring 41 und der Laser- Absorptionsvorrichtung 10 aufgetragen.
An einem der Detektorkammer D zugewandten Ende des zylindrischen Abschnitts 19 der Laser-Absorptionseinrichtung 10 sind eine zweite Linse 42 und eine dritte Linse 43 vorgesehen. Ge¬ mäß der ersten Ausführungsform ist die zweite Linse 42 ein zweiter Linsenring 42 und die dritte Linse ist ein dritter Linsenring 43. Der dritte Linsenring 43 umfasst bündig den zylindrischen Abschnitt 19, das heißt ein innerer Radius r3 des dritten Linsenrings 43 ist gleich groß wie der Radius des zylindrischen Abschnitts 19. Eine Rotationssymmetrieachse S3 des kreisförmigen Lochs im Inneren des dritten Linsenrings 43 mit dem inneren Radius r3 ist gleichzeitig die Rotationssym¬ metrieachse des zylindrischen Abschnitts 19.
Der dritte Linsenring 43 ist von dem zweiten Linsenring 42 umfasst. Insbesondere ist der dritte Linsenring 43 von dem zweiten Linsenring 42 in radialer Richtung umfasst und kann mit diesem verklebt sein. Gemäß der ersten Ausführungsform ist ein äußerer Radius R3 des dritten Linsenrings 43 gleich einem inneren Radius r2 des zweiten Linsenrings 42. Die Rota¬ tionssymmetrieachse S2 des kreisförmigen Lochs in dem zweiten Linsenring 42 mit dem inneren Radius r2 ist identisch mit der Rotationssymmetrieachse des zylindrischen Abschnitts 19.
Eine glatte Oberfläche 42g des zweiten Linsenrings 42 und ei¬ ne glatte Oberfläche 43g des dritten Linsenrings 43 sind koplanar und der Detektorkammer D zugewandt. Auf einer von der glatten Oberfläche 42g abgewandten Oberfläche 42s des zweiten Linsenrings 42 ist der zweite Linsenring 42 mit Fres¬ nel-Strukturen versehen. Diese werden im Folgenden in Bezug auf Figur 3 näher erläutert werden. Auf einer von der glatten Oberfläche 43g abgewandten Oberfläche 43s des dritten Linsen¬ rings 43 sind ebenfalls Fresnel-Strukturen ausgebildet. Die Fresnel-Strukturen des dritten Linsenrings 43 werden im Folgenden in Bezug auf Figur 4 näher erläutert werden.
Um eine Bewegung des zweiten oder dritten Linsenrings 42, 43 in Richtung der Detektorkammer D zu verhindern, ist an dem der Detektorkammer D zugewandten Ende des zylindrischen Abschnitts 19, an der glatten Oberfläche 43g des dritten Lin¬ senrings 43 anliegend, eine mutterartige Verbreiterung 14 des zylindrischen Abschnitts 19 ausgebildet. Die Verbreiterung 14 kann gemäß einer Ausführungsform mit dem zylindrischen Ab- schnitt 19 verbunden, beispielsweise verklebt, werden, nach¬ dem der zweite Linsenring 42 um den zylindrischen Abschnitt 19 herum angeordnet wurde. Eine Bewegung des zweiten und dritten Linsenrings 42, 43 in Richtung des ersten Linsenrings 41, und umgekehrt, kann durch die Halterungsarme 17 verhindert sein. Die Halterungsarme 17 trennen, das heißt beabstanden, die nach der Fresnel-Methode strukturierten Oberflächen 41s, 42s, 43s der Linsenringe 41, 42, 43 voneinander. Vorteilhafterweise sind die Halterungsarme 17 in axialer Richtung des zylindrischen Abschnitts 19 besonders dünn ausgebildet. Das heißt, die nach der Fresnel- Methode strukturierten Oberflächen 41s, 42s, 43s der Linsen- ringe 41, 42, 43 liegen vorteilhafterweise besonders nah an¬ einander. In Ausführungsformen, gemäß welchen keine Halterungsarme 17 ausgebildet sind, können die Oberflächen 42s, 43s auch direkt an der Oberfläche 41s anliegen, solange die jeweiligen Fresnel-Strukturen T dadurch nicht beschädigt wer- den.
Vorteilhafterweise sind die Halterungsarme 17 auch in tangen¬ tialer Richtung des zylindrischen Abschnitts 19 besonders schmal ausgebildet. Somit trifft nur ein geringer Bruchteil der von dem ersten Linsenring 41 abgelenkten Laserstrahlen
26, 26 λ auf die Halterungsarme 17 auf, statt in Richtung des zweiten und dritten Linsenrings 42, 43 gelenkt zu werden. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn ein möglichst gerin¬ ger Flächenabschnitt zwischen der Messkammer M und der Detek- torkammer D von den Halterungsarmen 17 verdeckt wird.
Der erste, zweite und dritte Linsenring 41, 42, 43 und/oder die Laser-Absorptionsvorrichtung 10 mit der Halteeinrichtung 16 können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Vorteilhafter Weise sind sie aus demselben Material herge¬ stellt. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um einen Kunststoff handeln. Eine Herstellung aus PMMA (Plexiglas) verleiht den einzelnen Komponenten eine hohe Beständigkeit gegen verschiedenste chemische Substanzen.
Die gesamte Linsenoptik 5 kann in einem einzigen Spritzgussschritt gefertigt werden, etwa durch Spritzgießen eines
Kunststoffs. Durch Verwendung des gleichen Materials für alle Bestandteile der Linsenoptik 5 sind Probleme durch Verspan- nungen, zum Beispiel durch Erwärmen, verringerbar. Zudem kann die Linsenoptik 5 durch Ziehen und/oder Schieben in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1 leicht und günstig ausgetauscht werden, sollte die Linsenoptik 5 beschä¬ digt oder stark verunreinigt werden.
Bei einer Anfertigung der Linsenoptik 5 als einem Teil einer Spritzgusstechnik/Abformtechnik oder Rapid Prototyping kann optional auf die Halterungsarme 17 verzichtet werden, da die ersten, zweiten und dritten Linsenringe 41, 42, 43 über andere Bereiche der Laser-Absorptionseinrichtung 10 fest bzw. monolithisch miteinander verbunden sein können. Es können auch alle Bestandteile der Linsenoptik 5 bis auf den ersten Lin- senring 41 in einem Formschritt, beispielsweise einem Spritz¬ gussschritt, monolithisch hergestellt werden, wobei der erste Linsenring 41 anschließend, zum Beispiel durch eine ausrichtende Nut, justiert und montiert werden kann. Dies kann etwa vorteilhaft sein, wenn der erste, zweite und/oder dritte Lin- senring 41, 42, 43 als ein Ausschnitt einer asphärischen Fresnel-Linse geformt sind.
Gemäß der ersten Ausführungsform sind weiterhin an einer Innenwand W3 der Detektorkammer D ein erster Photodetektor 51 und ein zweiter Photodetektor 52 ausgebildet. Die Innenwand W3 der Detektorkammer D ist der Linsenoptik 5 sowie der dahinter liegenden Lichtquelle 20 zugewandt. Der erste und der zweite Photodetektor 51, 52 sind in einem gleichen radialen Abstand von der Rotationssymmetrieachse des zylindrischen Ab- Schnitts 19 der Laser-Absorptionseinrichtung 10 ausgebildet, welche gleichzeitig der Strahlachse S der ungestreuten Laser¬ strahlen 22 entspricht.
Bei den Photodetektoren 51, 52 kann es sich beispielsweise um Avalanche-Photodioden handeln. Die Photodetektoren 51, 52 sind dazu ausgebildet, Lichtamplituden zu messen, das heißt Strahlungsleistungen von Laserstrahlen 28, 28 welche auf die Photodetektoren auftreffen. Basierend auf den gemessenen Lichtamplituden erzeugt der erste Photodetektor 51 erste Messsignale und der zweite Photodetektor 52 zweite Messsigna¬ le. Die beiden Photodetektoren 51, 52 sind mit einer Auswerteeinrichtung 53 gekoppelt, welche die Messsignale der beiden Pho¬ todetektoren 51, 52 auswertet. In der Auswerteeinrichtung 53 kann dazu eine Datenbank ausgebildet sein, welche Referenzmuster und/oder Kriterien enthält, anhand welcher die Mess- signale klassifiziert werden können. Aufgrund der Klassifi¬ zierung können die Partikel, welche die entsprechenden Messsignale verursacht haben, in Größenklassen eingeteilt werden. Beispielsweise können Partikel, welche ein Lichtamplituden¬ verhältnis zwischen einem ersten und einem zweiten Wert ver- Ursachen, in eine erste Größenklasse eingeteilt werden, und Partikel, welche ein Lichtamplitudenverhältnis zwischen dem zweiten und einem dritten Wert verursachen, in eine zweite Größenklasse eingeteilt werden und so weiter. Dazu kann beispielsweise ein Verhältnis der gemessenen Licht¬ amplituden gebildet werden. Unterschiedlich große Partikel führen zu unterschiedlichen Verhältnissen der Lichtamplituden . Basierend auf der sogenannten Mie-Theorie kann aus solchen
Verhältnissen auf die Größe des Partikels, an dem die Laser¬ strahlen gestreut wurden, rückgeschlossen werden.
In Figur 1 sind weiterhin zwei beispielhafte Strahlengänge eingezeichnet. Während es Betriebs der Vorrichtung 1 erzeugen die Partikel 30 auftreffenden Laserstrahlen 22 eine Vielzahl von gestreuten Laserstrahlen 24, 24 welche unter verschiedenen Winkeln, bezogen auf die ursprüngliche Strahlrichtung der erzeugten Laserstrahlen 22, auf den ersten Linsenring 41 auftreffen können.
Der gestreute Laserstrahl 24 trifft auf die glatte Oberfläche 41g des ersten Linsenrings 41 auf und wird von diesem abge- lenkt. Der solchermaßen abgelenkte Laserstrahl 26 wird auf den zweiten Linsenring 42 gelenkt, von welchem er wiederum abgelenkt wird. Dieser erneut abgelenkte Laserstrahl 28 wird auf den ersten Photodetektor 51 gelenkt, wo er - zusammen mit allen weiteren auf den ersten Photodetektor 51 auftreffenden Laserstrahlen 28 - vermessen wird.
Der weitere gestreute Laserstrahl 24' trifft derart auf den ersten Linsenring 41 auf, dass er als abgelenkter Laserstrahl 26' auf den dritten Linsenring 43 gelenkt wird. Der dritte Linsenring 43 lenkt den abgelenkten Laserstrahl 26' als erneut abgelenkten Laserstrahl 28' auf den zweiten Photodetektor 52, wo er - zusammen mit allen weiteren auf den zweiten Photodetektor 52 auftreffenden Laserstrahlen 28 λ - vermessen wird.
Die an den Partikeln 30 gestreuten Laserstrahlen können in vier Kategorien eingeteilt werden, je nachdem in wie großen Winkeln sie von der Strahlachse S abgelenkt werden. Werden sie gar nicht oder nur gering abgelenkt, treffen sie auf die Laser-Absorptionsvorrichtung 10. Werden sie in etwas größeren Winkeln abgelenkt, werden sie letztendlich mehrheitlich auf den zweiten Photodetektor 52 gelenkt. Werden sie in wiederum größeren Winkeln abgelenkt, werden sie letztendlich mehrheit- lieh auf den ersten Photodetektor 51 gelenkt. Werden sie in noch größeren Winkeln abgelenkt, beispielsweise 90° oder mehr, treffen sie nicht mehr auf die Linsenoptik 5 auf, sondern beispielsweise auf die Innenwände Wl, W2 der Messkammer M.
Die in Figur 1 abgebildeten beispielhaften Laserstrahlen 22, 24, 24', 26, 26', 28, 28' liegen teilweise nicht direkt in der Querschnittsebene der Figur 1 liegen, sondern sind über der Zeichenebene der Figur 1 angeordnet, so dass sie an den Halterungsarmen 17 vorbeilaufen.
Die Auswerteeinrichtung 53 kann weiterhin mit einer Steuereinrichtung gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung kann bei- spielsweise basierend auf den Ergebnissen der Auswerteeinrichtung 53 einen Strom des Fluids steuern. Beispielsweise kann bei Über- oder Unterschreiten bestimmter Grenzwerte der Strom des Fluids durch die Messkammer M verstärkt oder ver- ringert werden, beispielsweise durch Öffnen oder Schließen einer dafür ausgebildeten Klappe. Die Steuereinrichtung kann somit etwa dazu verwendet werden, einen Fluidstrom mit einer im Wesentlichen konstanten Anzahl der Partikel 30 pro Zeiteinheit zu erzeugen.
Mit der Auswerteeinrichtung 53 kann auch eine Aufzeichnungs- einrichtung verbunden sein, welche die Ergebnisse der Auswerteeinrichtung 53 systematisch aufzeichnen und speichern kann. Fig. 2 zeigt eine schematische Frontalansicht auf eine erste Fresnel-Linse Fl zum Erläutern einer Form einer ersten Linse gemäß der ersten Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt insbesondere eine schematische Frontansicht einer ersten Fresnel-Linse Fl mit einer Vielzahl von Fresnel- Strukturen T. Die erste Fresnel-Linse Fl ist rotationssymmet¬ risch um eine erste optische Achse OA1. Die erste Linse 41 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist derart geformt, als wäre aus der ersten Fresnel-Linse Fl eine Kreisscheibe konzentrisch herausgeschnitten worden. Mit „konzentrisch" ist damit gemeint, dass eine Rotationssymmet¬ rieachse Sl der ausgeschnittenen Kreisscheibe identisch mit der optischen Achse OA1 der unbehandelten ersten Fresnel- Linse Fl ist. Der erste Linsenring 41 weist somit einen inne- ren Radius rl auf, der dem Radius der herausgeschnittenen Kreisscheibe entspricht. Ein Außenprofil, insbesondere ein äußerer Radius Rl des ersten Linsenrings 41 entspricht einem Außenprofil, insbesondere dem Radius der ersten Fresnel-Linse Fl .
Fig. 3 zeigt eine schematische Frontalansicht auf eine zweite Fresnel-Linse zum Erläutern einer Form einer zweiten Linse 42 gemäß der ersten Ausführungsform. Gemäß der ersten Ausführungsform ist die zweite Linse 42 derart ausgebildet, als wäre sie ein exzentrischer ringförmiger Ausschnitt aus einer zweiten Fresnel-Linse F2. Mit „exzent- risch" ist dabei gemeint, dass eine Rotationssymmetrieachse des kreisförmigen Lochs in dem zweiten Linsenring 42 relativ zu einer optischen Achse OA2 der zweiten Fresnel-Linse F2 parallel versetzt ist. Gemäß der ersten Ausführungsform ist die zweite Fresnel-Linse F2 baugleich mit der ersten Fresnel-Lin- se Fl und somit ebenfalls rotationssymmetrisch um ihre opti¬ sche Achse OA2. Daraus folgt, dass der exzentrisch ausge¬ schnittene zweite Linsenring 42 aufgrund der ausgebildeten Fresnel-Strukturen T nicht rotationssymmetrisch ist, da er keine rotationssymmetrische Oberfläche aufweist. Ein innerer Radius r2 des zweiten Linsenrings 42 ist kleiner als ein äußerer Radius R2 des zweiten Linsenrings, welcher wiederum kleiner ist als ein Radius der zweiten Fresnel-Linse F2.
Fig. 4 zeigt eine schematische Frontalansicht auf eine dritte Fresnel-Linse zum Erläutern einer Form einer dritten Linse 43 gemäß der ersten Ausführungsform.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist die dritte Linse 43 ge¬ formt, als wäre sie ein exzentrischer ringförmiger Ausschnitt aus einer dritten Fresnel-Linse F3. Die dritte Fresnel-Linse F3 ist rotationssymmetrisch um ihre optische Achse OA3 und ist weiterhin baugleich mit der ersten und der zweiten Fresnel-Linse Fl, F2. Die Rotationssymmetrieachse S3 des kreis¬ förmigen Lochs im Inneren des dritten Linsenrings 43 ist be- züglich der optischen Achse OA3 der dritten Fresnel-Linse F3 parallel versetzt und ist weiterhin parallel versetzt bezüg¬ lich der Rotationssymmetrieachse S2 des kreisförmigen Lochs im Inneren des zweiten Linsenrings 42, falls der zweite Linsenring 42 entsprechend seiner Lage in der zweiten Fresnel- Linse F2 auf die dritte Fresnel-Linse F3 projiziert würde.
Insbesondere sind gemäß der ersten Ausführungsform die zweite Rotationssymmetrieachse S2 und die dritte Rotationssymmetrie- achse S3 in Bezug auf die optischen Achsen OA2, OA3 der zwei¬ ten und dritten Fresnel-Linsen F2, F3 in einander entgegengesetzten Richtung versetzt. Wären beispielsweise die optischen Achsen OA2, OA3 im Ursprung eines kartesischen Koordinaten- Systems situiert, wäre die zweite Rotationssymmetrieachse S2 etwa auf der negativen x-Achse parallel versetzt, während die dritte Rotationssymmetrieachse S3 auf der positiven x-Achse parallel versetzt wäre. Alternativ wäre auch denkbar, dass die zweite und dritte Ro¬ tationssymmetrieachse S2, S3 mit der optischen Achse OA2, OA3 als Scheitelpunkt einen anderen Winkel als 180° einschließen. Besonders vorteilhaft sind Winkel zwischen 90° und 270°, ins¬ besondere zwischen 135° und 225°. Die Positionen der Aus- schnitte aus den Fresnel-Linsen F2, F3 kann auf der Anordnung der Photodetektoren 51, 52 in der Detektorkammer D basieren, da die Exzentrizität des zweiten bzw. dritten Linsenrings 42, 43 -neben den Fresnel-Strukturen T - mitbestimmt, wie stark ein auf den entsprechenden Linsenring 42, 43 auftreffender Laserstrahl abgelenkt wird.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist ein innerer Radius r3 des kreisförmigen Lochs im Inneren des dritten Linsenrings 43 kleiner als ein äußerer Radius R3 des dritten Linsenrings, welcher wiederum kleiner ist als ein Radius der dritten Fres- nel-Linse F3. Weiterhin ist der äußere Radius R3 des dritten Linsenrings 43 im Wesentlichen gleich dem inneren Radius r2 des zweiten Linsenrings 42. Fig. 5 zeigt eine schematische Frontalansicht auf den zweiten und dritten Linsenring zum Erläutern ihrer Anordnung in der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
Fig. 5 verdeutlicht, dass gemäß der ersten Ausführungsform der zweite Linsenring 42 bündig den dritten Linsenring 43 um- fasst. Der dritte Linsenring 43 liegt also innerhalb des kreisförmigen Lochs innerhalb des zweiten Linsenrings 42. Die zweite Rotationssymmetrieachse S2 liegt genau auf der dritten Rotationssymmetrieachse S3. Der erste, zweite und/oder dritte Linsenring 41, 42, 43 könnte auch als ovale Ringe ausgebildet sein. In der vorangehenden Beschreibung wären dann die Rotationssymmetrieachsen S2, S3 geeignet durch etwa Senkrechten auf den geometrischen Schwerpunkten von ellipsenförmigen Löchern innerhalb des zweiten bzw. dritten Linsenrings 42, 43 ersetzen. Auch bei elliptischen bzw. ovalen Linsenringen 41, 42, 43 kann ein äußerer Umfang des dritten Linsenrings 43 bündig an einem inneren Umfang des zweiten Linsenrings 42 an- liegen. Auch die Halteeinrichtung 16 müsste nur geringfügig verändert werden.
Die Beschreibungen in Bezug auf die vorangehenden Figuren 2, 3, 4, 5 dienen dazu, die Formen der Linsenringe 41, 42, 43 zu beschreiben. Insbesondere soll verstanden sein, dass die ent¬ sprechenden Linsenringe 41, 42, 43 nicht notwendigerweise tatsächlich physisch aus Fresnel-Linsen Fl, F2, F3 ausgeschnitten werden müssen. Stattdessen können die Linsenringe
41, 42, 43 vorteilhafter Weise fertig ausgebildet durch
Spritzgießen hergestellt werden.
Sind zwei oder mehrere Linsenringe 41, 42, 43 miteinander starr verbunden, können diese in einem gemeinsamen Spritzgussschritt hergestellt werden. Insbesondere kann etwa die in Fig. 5 dargestellte Anordnung, wobei der zweite Linsenring
42, den dritten Linsenring 43 bündig umfasst, mit einer einzigen Form in einem einzigen Spritzgussschritt hergestellt werden. Die Unterteilung in einen zweiten und einen dritten Linsenring 42, 43 dient in diesem Fall somit nur zur Be- Schreibung und bedeutet keine tatsächliche physische Trennung von Bestandteilen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Frontalansicht auf eine Fres- nel-Linse zum Erläutern einer Linsenoptik einer Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist eine Variante der ersten Aus¬ führungsform und unterscheidet sich von jener im Wesentlichen nur durch die Gestaltung der Linsenoptik. Gemäß der zweiten Ausführungsform weist die erste Fresnel- Linse Fl λ ein rechteckiges, insbesondere ein quadratisches Außenprofil auf. Zudem ist in zwei einander bezüglich der optischen Achse OA1 λ der ersten Fresnel-Linse Fl λ diametral ge¬ genüberliegenden Ecken der ersten Fresnel-Linse Fl λ jeweils eine Bohrung Bl ausgeführt. Die Bohrungen Bl verlaufen senkrecht zu der ersten Fresnel-Linse Fl das heißt parallel zu der optischen Achse OA1 λ .
Wie bei der ersten Ausführungsform ist die erste Linse 41 derart ausgebildet, als wäre aus der ersten Fresnel-Linse Fl λ eine Kreisscheibe konzentrisch herausgeschnitten worden. Somit weist auch die erste Linse das rechteckige, insbesondere quadratische Außenprofil und die zwei bezüglich der ausge¬ schnittenen Kreisscheibe diametralen Bohrungen Bl auf.
Gemäß der zweiten Ausführungsform werden weiterhin die zweite und dritte Linse jeweils verschieden exzentrisch aus Fresnel- Linsen ausgeschnitten, welche mit der ersten Fresnel-Linse Fl λ baugleich sind, analog wie es in Bezug auf die Figuren 3 und 4 bereits beschrieben wurde. Somit weist auch die zweite Linse das rechteckige, insbesondere quadratische Außenprofil und die zwei bezüglich der ausgeschnittenen Kreisscheibe diametralen Bohrungen Bl auf. Die dritte Linse gemäß der zweiten Ausführungsform ist im We¬ sentlichen identisch mit der dritten Linse 43 gemäß der ersten Ausführungsform, da sich auf die dritte Linse das Außenprofil der Fresnel-Linse nicht auswirkt. Fig. 7 zeigt eine schematische Schrägansicht einer Laser- Absorptionseinrichtung 10 einer Linsenoptik 5 der Vorrichtung 1 zum Bestimmen von Größen von Partikeln gemäß der zweiten Ausführungsform. Gemäß der zweiten Ausführungsform weist die an der Laser- Absorptionseinrichtung 10 ausgebildete Halteeinrichtung 16 λ einen H-förmigen Querschnitt auf, welcher durch das Anein- anderlegen der beiden T-förmigen Seitenabschnitte 18 entlang der senkrechten Striche in den entsprechenden „T's" gebildet ist. Entlang einer Richtung R kann die Halteeinrichtung 16 λ in den Rest der Vorrichtung 1 eingeschoben werden, wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Dabei umgreifen quaderförmige Aussparungen in den gegenüberliegenden Wänden Wl, W2 bündig die T-förmigen Seitenabschnitte 18.
Zwischen den T-förmigen Seitenabschnitten 18 ist, entsprechend des Querstrichs des „H" in dem H-förmigen Querschnitt, eine dünne Platte P ausgebildet. In der dünnen Platte P be¬ findet sich eine kreisförmige Öffnung F, deren Rotationssymmetrieachse in der Mitte zwischen den beiden T-förmigen Seitenabschnitten liegt. Insbesondere ist die Rotationssymmet¬ rieachse der Öffnung F gleichzeitig die Rotationssymmetrie- achse des zylindrischen Abschnitts 19. Die beiden Halterungs¬ arme 17 liegen koplanar, sind gleich dick wie die dünne Platte P und erstrecken sich von gegenüberliegenden Randabschnitten der Öffnung F jeweils bis zu dem zylindrischen Abschnitt 19.
In diametral entgegengesetzten Ecken der Platte P sind Bohrungen B2 vorgesehen, welche im Durchmesser den Bohrungen Bl in der ersten Fresnel-Linse Fl λ gleichen. In Fig. 7 sind die kegelstumpfartige Verdickung 11 sowie die mutterartige Ver- breiterung 14 der Laser-Absorptionsvorrichtung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Sie können optional vorge¬ sehen sein.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die dritte Linse von der zweiten Linse umfasst, wie in Bezug auf Fig. 5 für den zweiten und dritten Linsenring 42, 43 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Die erste Linse ist aus einer Richtung V, welche senkrecht auf der dünnen Platte P steht, an die dünne Platte P angelegt, sodass je eine Bohrung Bl und B2 fluchtend aneinander liegen. Aus einer Richtung H, welche der Richtung V entgegengesetzt ist, sind die zweite Linse und die dritte Linse an die dünne Platte P angelegt, sodass je eine Bohrung Bl und B2 fluchtend aneinander liegen. Die erste Linse, die zweite Linse und die dazwischenliegende Platte P sind durch die fluchtenden Bohrungen Bl, B2, Bl hindurch miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt. Fig. 8 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Veranschau¬ lichen eines Verfahrens zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Verfahrensschritt SOI werden die Laserstrahlen 22 in das Fluid eingekoppelt.
In einem Schritt S02 werden die Laserstrahlen 24, welche an den Partikeln 30 in dem Fluid gestreut werden, mittels der Linse 41 zumindest teilweise auf einen zweite Linse 42 und/oder eine dritte Linse 43 gelenkt. Mit „zumindest teil¬ weise" ist insbesondere gemeint, dass nicht alle an den Par¬ tikeln 30 in dem Fluid gestreuten Laserstrahlen 20 notwendigerweise auf die erste Linse 41 auftreffen.
In einem Schritt S03 werden die Laserstrahlen 26, welche aus¬ gehend von der ersten Linse 41 auf die zweiten Linse 42 auf¬ treffen, mittels der zweiten Linse 42 im Wesentlichen in Richtung des ersten Photodetektors 51 gelenkt. Weiterhin wer- den in einem Schritt S04 Laserstrahlen 26', welche ausgehend von der ersten Linse 41 auf die dritte Linse 43 auftreffen, mittels der dritten Linse 43 auf den zweiten Photodetektor 52 gelenkt . In einem Schritt S05 werden mittels des ersten Photodetektors 51 in Abhängigkeit von den auf ihn gelenkten Laserstrahlen 28 erste Messsignale erzeugt. In einem Schritt S06 werden mittels des zweiten Photodetektors 52 in Abhängigkeit von den auf ihn gelenkten Laserstrahlen 28' zweite Messsignale erzeugt. Die erzeugten Messsignale werden in einem Schritt S07 zum Bestimmen von Größen der Partikel 30 ausgewertet, wie oben, insbesondere in Bezug auf Fig. 1, näher erläutert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modi¬ fizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise können auch noch eine vierte oder mehrere wei¬ tere Linsen zusätzlich eingesetzt werden können, wobei die zweite Linse die dritte Linse umfasst, die dritte Linse die vierte Linse umfasst und so weiter. Auch die vierte und die mehreren weiteren Linsen können exzentrische Ausschnitte aus Fresnel-Linsen sein. Es können aber auch einige oder alle der ersten, zweiten, dritten, vierten und mehreren weiteren Linse exzentrische oder konzentrische Ausschnitte aus Fresnel- Linsen oder aus anderen Linsentypen sein.
Es können entsprechend auch mehrere Photodetektoren vorgese¬ hen sein, wobei die vierte Linse Laserstrahlen auf einen dritten Photodetektor lenkt, eine fünfte Linse Laserstrahlen auf einen vierten Photodetektor lenkt und so weiter.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid mit:
einer Linsenoptik (5), die aufweist:
eine Laser-Absorptionseinrichtung (10), welche von einer Laserquelle (20) ausgestrahlte Laserstrahlen (22), die durch das Fluid im Wesentlichen ungestreut hindurchtreten, absorbiert,
wobei die Laser-Absorptionseinrichtung (10) von einer ersten Linse (41) und von einer zweiten Linse (42) und von einer dritten Linse (43) umfasst ist,
wobei die erste Linse (41) von der Laserquelle (20) ausge¬ strahlte Laserstrahlen (24), welche an den Partikeln (30) in dem Fluid gestreut werden, zumindest teilweise auf die zweite Linse (42) und/oder die dritte Linse (43) lenkt,
wobei die zweite Linse (41) Laserstrahlen (26), welche ausge¬ hend von der ersten Linse (41) auf die zweite Linse (42) auf¬ treffen, im Wesentlichen auf einen ersten Photodetektor (51) lenkt, welcher in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten Laserstrahlen (28) erste Messsignale erzeugt,
wobei die dritte Linse (43) Laserstrahlen (26λ), welche aus¬ gehend von der ersten Linse (41) auf die dritte Linse (43) auftreffen, im Wesentlichen auf einen zweiten Photodetektor (52) lenkt, welcher in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten Laserstrahlen (28 λ) zweite Messsignale erzeugt; und
mit einer Auswerteeinrichtung (53) , welche die Messsignale der beiden Photodetektoren (51, 52) zum Bestimmen der Größen der Partikel (30) auswertet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Linse (42) die dritte Linse (43) teilweise umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite Linse (42) und die dritte Linse (43) noch mindestens eine weitere Linse umfassen und wobei mindestens ein weiterer Photodetektor vorgesehen ist, auf welchen die mindestens eine weitere Linse auf sie auftreffende Laserstrahlen lenkt.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Linse (41) als ein konzentrischer erster Ausschnitt aus einer ersten Fresnel-Linse (Fl; Flx) ausgebil- det ist
und/oder
die zweite Linse (42) als ein exzentrischer zweiter Ausschnitt aus einer zweiten Fresnel-Linse (F2) ausgebildet ist und/oder
die dritte Linse (43) als ein exzentrischer dritter Aus¬ schnitt aus einer dritten Fresnel-Linse (F3) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei zwei oder drei der ersten Fresnel-Linse (Fl; Flx), der zweiten Fresnel-Linse (F2) und der dritten Fresnel-Linse (F3) einander baugleich sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Halteeinrichtung (16; 16 λ) an der Laser-Absorptionseinrichtung (10) ausgebildet ist, mit welcher zumindest die erste Linse (41) und die zweite Linse (42) verschraubt und/oder verklebt sind und
wobei die Linsenoptik (5) mittels der Halteeinrichtung (16; 16 λ) in oder an der Vorrichtung (1) fixierbar und aus der Vorrichtung (1) wieder entnehmbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Halteeinrichtung (16; 16 λ) der Laser-Absorptionseinrichtung (10), die Laser-Absorptionseinrichtung (10) und zumindest die zweite Linse (42) und die dritte Linse (43) als monolithisches Bauteil ausgebildet sind und
wobei die Linsenoptik (5) mittels der Halteeinrichtung (16; 16 λ) in oder an der Vorrichtung (1) fixierbar und aus der Vorrichtung (1) wieder entnehmbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Laser-Absorptionsvorrichtung (10) eine Strahlsenke mit einem in Richtung der Laserquelle (20) geöffneten Hohlraum (12) aufweist, in welchen die Laserstrahlen (22), die durch das Fluid im Wesentlichen ungestreut hindurchtre¬ ten, eintreten.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8,
mit einer Messkammer (M) , durch welche das Fluid durchleitbar ist ;
mit einer Detektorkammer (D) , in welcher der erste Photodetektor (51) und der zweite Photodetektor (52) vorgesehen sind; und
mit einer Laserquelle (20), welche die Laserstrahlen (22) er¬ zeugt, wobei die Laserstrahlen (22) durch die Messkammer (M) hindurch auf die Laser-Absorptionseinrichtung (10) der Linsenoptik (5) gerichtet sind,
wobei die Linsenoptik (5) zwischen der Messkammer (M) und der Detektorkammer (D) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
wobei die erste Linse (41) und die Laser-Absorptionsvor- richtung (10) derart fluidisch abgedichtet sind, dass das
Fluid von der Messkammer (M) ausgehend nicht in die Detektorkammer (D) eintreten kann; und
wobei die erste Linse (41) und die Laser-Absorptionsvorrichtung (10) weiterhin derart fluidisch abgedichtet sind, dass die Messkammer (M) eine homogene Fluidik aufweist.
11. Verfahren zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid mit den Schritten:
Einkoppeln (S01) von Laserstrahlen (22) in das Fluid;
Ablenken (S02) von Laserstrahlen (24), welche an den Partikeln (30) in dem Fluid gestreut werden, mittels einer ersten Linse (41) zumindest teilweise auf eine zweite Linse (42) und/oder eine dritte Linse (43);
Lenken (S03) von Laserstrahlen (26), welche ausgehend von der ersten Linse (41) auf die zweite Linse (42) auftreffen, mit¬ tels der zweiten Linse (42) auf einen ersten Photodetektor (51) ; Lenken (S04) von Laserstrahlen (26λ), welche ausgehend von der ersten Linse (41) auf die dritte Linse (43) auftreffen, mittels der dritten Linse (43) auf einen zweiten Photodetektor (52);
Erzeugen (S05) von ersten Messsignalen mittels des ersten
Photodetektors (51) in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten La¬ serstrahlen (28);
Erzeugen (S06) von zweiten Messsignalen mittels des zweiten Photodetektors (52) in Abhängigkeit von auf ihn gelenkten La- serstrahlen (28 x);
Auswerten (S07) der Messsignale der beiden Photodetektoren (51, 52) zum Bestimmen der Größen der Partikel (30) .
12. Verfahren nach Anspruch 11,
wobei die ersten und zweiten Messsignale Informationen über Lichtamplituden der auf die Photodetektoren (51, 52) gelenkten Laserstrahlen (28, 28 λ) umfassen; und
wobei das Auswerten (S07) der Messsignale zum Bestimmen der Größen der Partikel (30) basierend auf der Mie-Theorie er- folgt.
13. Verfahren zum Bestimmen einer Anzahl von Partikeln in einem Fluid,
wobei innerhalb eines Zeitraums kontinuierlich das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 zum Bestimmen der Größe der Partikel (30) in dem Fluid durchgeführt wird;
wobei bei jedem Bestimmen der Größe eines der Partikel (30) ein Zähler um eins erhöht wird, falls die jeweilige bestimmte Größe des Partikels einen vorbestimmten Mindestwert über- schreitet; und
wobei anschließend an den Zeitraum basierend auf dem Zähler und auf dem Zeitraum die Anzahl der Partikel in dem Fluid be¬ stimmt wird.
14. Verfahren zum Herstellen einer Linsenoptik für eine Vorrichtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit den Schritten: Spritzgießen der ersten Linse in einem ersten Spritzgussschritt;
Spritzgießen der zweiten Linse, der dritten Linse und der Laser-Absorptionsvorrichtung in einem zweiten Spritzguss- schritt; und
Montieren der ersten Linse auf der Laser-Absorptionsvorrichtung .
15. Verfahren zum Herstellen einer Linsenoptik für eine Vor- richtung zum Bestimmen von Größen von Partikeln in einem Fluid nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit dem Schritt:
Spritzgießen der ersten Linse, der zweiten Linse, der dritten Linse und der Laser-Absorptionsvorrichtung in einem einzelnen Spritzgussschritt .
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