DE1804596A1

DE1804596A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln und Messen von Einschluessen in Stroemungsmitteln

Info

Publication number: DE1804596A1
Application number: DE19681804596
Authority: DE
Inventors: Richards Esmond Will Troughton
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1967-10-24
Filing date: 1968-10-23
Publication date: 1969-05-14
Also published as: FR1587202A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln und Messen von Einschlüssen in Strömungsmittela Background der Erfindung Die Erfindung bezieht sich auf das Ermitteln und Messen von Einschlüssen in Strömungsmitteln.
Der Ausdruck "Einschluß" wird hier verwendet, um feste oder flüssige Körper zu definieren, die als eine Dispersion in einer anderen Flüssigkeit oder einem Gas vorhanden sind, oder Gasblasen oder Hohlräume in einer Flüssigkeit oder Hohlräume in einem Gas zu definieren. In jedem Falle wird der Einschluß dadurch differenziert, daß er eine andere Brechwngszahl als das Strömungsmittel hat. Gewöhnlich, aber nicht unbedingt, wird die Brechungsahl des Einschlusses höher sein als diejenige des Strömungsmittels. Es versteht sich, daß die Erfindung, kurz ausgedrückt, das Ermitteln und Messen von kleinen Einschlüssen, beispielsweise in der Größenordnung von wenigen Mikron im Durchmesser, betrifft, wenn sie auch mit viel größeren Einschlüssen zu tun haben kann0 Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Ermitteln von Einschlüsseln zu schaffen Zusammenfassung der Erfindung Erfindungsgemäß wird beim Ermitteln und Messen von Einschlüssen in Strömungsmitteln ein scharf definierter bzwç gebündelter Lichtstrahl auf ein Volumen des Strömungsmittels gerichtet, und es wird die Vorwärts-Kleinwinkel-oder Tyndall-Streuung in einem Winkel zur Achse des Strahles ermittelt.
Der Ausdruck ein scharf definierter bzw. gebündelter Lichtstrahl" wird hier verwendet, um einen Strahl zu definieren, der keine Interferenzstreifen oder andere Randeffekte wiedergibt. Es ist daher erwünscht, einen Strahl von einem Laser zu verwenden, da ein solcher Strahl von Haus aus scharf definiert bzw. gebündelt ist, jedoch muß ein solcher Strahl offensichtlich nicht durch Anschläge oder Schlitze in solcher Weise begrenzt werden, daß diese Beugungseffekte einführen könnten. Da Brechungszahlen sich mit der Wellenlänge ändern, ist es darüber hinaus wünschenswert, monochromatisches Licht zu verwenden. Bei allen Stoffen ist der wahrscheinlichste Steuungswinkel abhängig von der Größe des Partikels und der komplexen BrechungszahlO Im Halle von dielektrischen Stoffen wird der letstere Ausdruck durch die Änderung der Brechungsaahl zwischen dem Strömungsmittel und dem Partikel bestimmt. Im Falle von Partikeln mit einer Brechungssahl, die annähernd die gleiche wie diejenige des Strömungsmittels ist, z.B. organische Stoffe im Wasser, ist der Streuwinkel klein, z.3 1,50 - 5°. Andererseits ist bei leitenden Stoffen, wie beispielsweise Metallen, die komplexe BrechungszahL außerdem abhängig vom Absorptionsindex, denn solche Stoffe zeigen eine hohe Reflektivität. In diesem Falle ist der Streuwinkel (trotz seines Namens) annähernd 90°.
Weil außerdem die genaue Lage eines Partikels nicht vorbestimmt werden kann, wird die Streuung von Partikeln eines gegebenen Materials eine Gaußsche Verteilung um den Streuwinkel herum wiedergeben. Darüber hinaus wird die Größe der Streuung von der Abmessung der einzelnen Partikel abhängig sein. Im allgemeinen kann es jedoch die Erfindung ermöglichen, daß Partikel von unterschiedlichen Stoffen oder von unterschiedlichen Abmessungen voneinander differenziert werden.
Es ist natürlich nicht unbedingt notwendig, sichtbares Licht-zu verwenden, wenn auch dessen Verwendung offensichtlich für die meisten Strömungsmedien vorgezogen wird. Um eine Tyndall-Streuung zu erhalten, muß das Teilchen im Vergleich zur Wellenlänge des Lichtes (anders als bei der Rayleigh-Streuung) groß sein, so daß bei sichtbarem Licht die Mindest-Partikelgröße, die zuverlässig ermittelt werden kann, etwa 0,5 P beträgt.
Die Streuung wird zweckmäßig durch eine lichtempfindliche Vorrichtung, wie beispielsweise einen Fotovervielfältiger bzw. Sekundärelektronenvervielfältiger, ermittelt, die mit einem Schlitz in einem entsprechenden Winkel angeordnet und an eine entsprechende Impulsermittlungs- und -zählkette gekoppelt ist. Diese Kette kann einen Impuls-Höhenanalysierer enthalten, da die Impulshöhe von einem Teilchen von dessen Abmessung abhängig sein wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt Fig. 1 ein schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels, während Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel wiedergibt.
35 schreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiel Die in. Fig. 1 der Zeichnung dargeetellte Vorrichtung ist daftir bestimmt, kleine organische Körper, z.B. Hefezellen, von einer Größe von 4 - 5 » in einer fermentierten Flüssigkeit, wie beispielsweise Bier, nach einer Filtrierstufe zu ermitteln. Die Vorrichtung weist ein Edelstahlrohr 1 auf, durch welches das 3ier strömt und das mit Sichtgläsern 2 und 3 versehen ist, die sich diametral gegenüberliegen, um eine Meß-Strömungsselle zu bilden.
Die Vorrichtung wird von einer Grundplatte 4 getragen, die auf Halterungen 5 sitzt, und enthält einen Helium-Neon-Laser 6 mit dessen Energieversorgungs- und Hilfseinrichtungen 7. Der Lichtstrahl vom Laser mit 6328R gelangt in die Strömungezelle durch das Sichtglas 2 hindurch, und Streulicht wird durch eine Sperre 8 und einen abeorbierenden Belag 9 eingefangen. Es sei darauf hingewiesen, daß diese den Strahl nicht berühren, da sonst Beugungs-RandeffeXte eingeführt würden.
Nach dem Passieren der Strömungszelle tritt der Strahl durch das Sichtglas 3 aus und wird durch einen Strahlstopper 10 absorbiert. Das gestreute Licht über einen Raumwinkel von 1,50 - 5° wird durch einen Potovervielfältiger bzwO einen Sekundärelektronenvervielfacher 11 und eine zugeordnete Hochspannungseinheit 12 empfangen, um ein Ausgangseignal zu geben.
Der Durchgang einer einzigen Hefezelle durch die Strömungszelle hindurch ergibt einen Impuls vom Fotovervielfacher, wobei die Höhe des Impulses ein Maß für die Größe der Zelle ist und deren Breite von der Verweilzeit in der Strömungsselle abhängt. Eine geeignete Zähleinrichtung von bekanntem Typ wird die Impulse identifizieren und in einer entsprechenden Weise registrieren, wobei eine Unterscheidung vom Dauersustand-Hintergrund infolge der Brechungseffekte, z.B. von Oberflächenungenauigkeiten an den Sichtgläsern, und infolge von Molekularstreuung (Rayleigh-Effekt) getroffen wird0 Die Anordnung nach Fig. 1 ist für die kleinsten Streuwinkel bestimmt, d.h. solchen von organischen Stoffen mit Brechungszahlen, die dicht an derjenigen des Strömungsmittels liegen, und wenn es erwünscht ist, ein größeres Strömungsmittelvolumen zu überprüfen, dann kann ein konvergenter Lichtstrahl verwendet werden, wobei aber dann die Impulshöhenanalyse schwierig ist.
Anstelle des Strahlstoppers 10 nach Fig. 1 ist es möglich, einen Spiegel mit einem Loch darin zu verwenden, Diese Anordnung ist insbesondere nützlich bei kleinen Winkeln, wo der Laserstrahl durch das Loch hindurch gelangen kann und das gestreute Licht auf den Patovervielfacher gerichtet werden kann.
Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ist im Grunde derjenigen der Fig. 1 sehr ähnlich, jedoch ist sie dafür bestimmt, Brennkraftmaschinenöl auf suspendierte Partikel zu überprüfen. Es ist ersichtlich, daß zusätzlich zum Sichtglas 2 das Rohr 1 Sichtgläser 20 und 21 und einen gesonderten Btrahlstopper 22 aufweist, wobei die Sichtgläser 20 und 21 auf Radien in Vorwärtsstreuwinkeln von 200 bzw. 900 liegen.
Jedes Sichtglas ist einem Objektisschlitz 25, einem Fotovervielfacher 23 und einer,Hochspannungseinheit 24 zugeordnet.
Dae Öl enthält erwartungsgemäß Kohlenstoffteilchen infolge unvollständiger Verbrennung des Brennstoff3, und diese werden eine Streuung in einem Winkel von etwa 200 ergeben.
Es wird außerdem metallische Teilchen infolge Maschinenabnutzung enthalten, und diese werden eine Streuung in einem Winkel von etwa 900 ergeben. Ein Impulehöhenanalysierer, der mit dem dem Sichtglas 21 zugeordneten Fotovervielfacher verbunden ist, kann eine entsprechende Größenanzeige der metallischen Teilchen geben, Der Schlitz 25 und der Fotovervielfacher 23, die jedem der Sichtgläser zugeordnet sind, können, wie ersichtlich, winklig verstellbar sein.
Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen -- oder in Kombination -- in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.
Patentansrüche

Claims

PatentansDrUche 1. Verfahren zum Ermitteln und Messen von Sinschldssen in Strömungsmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß ein scharf definierter bzw. gebündelter Lichtstrahl auf ein Volumen des Strömungsmittels gerichtet wird und daß die Vorwärts-Kleinwinkel- oder Tyndall-Streuung in einem Winkel zur Achse des Strahls ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht monochromatisch ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl von einem Laser stammt und nicht durch Schlitze oder Anschläge definiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Helium-Neon-Laser mit einem Lichtausgang von 6328 i ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse organische Teilchen in Wasser sind und daß der Winkel 1,5 50 beträgt.
6. Vorrichtung zum Ermitteln und Messen von Einschlüssen in Strömungsmitteln, gekennzeichnet dadurch eine Einrichtung, welche einen scharf definierten bzw. gebündelten Lichtstrahl von einer Lieferquelle auf ein Volumen des Strömungsmittels richtet, und durch eine Einrichtung, welche die Vorwärts-Kleinwinkelstreuung in einem Winkel zur Achse des Strahles ermittelt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lieferquelle eine monochromatische Quelle ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die monochromatische Quelle ein Laser ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Helium-Neon-Laser ist, der mit 6328 i arbeitet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Foto-Vervielfacher bzw. Sekundärelektronenvervielfacher zum Ermitteln des gestreuten Lichtes enthält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ausgangsschlitz zum Definieren des-Sbsuwinkels enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse organische Teilchen sind, daß das Strömungsmittel Wasser ist und daß der Ausgangsschlitz so eingestellt ist, daß er Licht aus einem Raumwinkel von 1,5-- 5° annimmt.
13. Vorrichtung nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse Kohlenstoff sind, daß das Strömungsmittel Öl ist und daß der Ausgangsschlitz so eingestellt ist, daß er Licht aus einem Winkel von annähernd 200 zum Strahl annimmt.
14. Vorrichtung nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse metallisch sind, daß das Strömungsmittel öl ist und daß der Ausgangsschlitz so eingestellt ist, daß er Licht aus einem Winkel von annähernd 900 zum Strahl annimmt.