DE19525847C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers von Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers von Teilchen. Bei der Erfindung spielt es keine Rolle, ob es sich bei den Teilchen um Aerosole oder sonstige Fest- oder Flüssigteilchen in Gasen, Flüssigkeiten oder transparenten Feststoffen handelt. Vorstellbar sind Kleinstteil­ chen in Fluiden, die Durchmesser bis hinunter in den Mikrometerbereich besitzen.

Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Teilchendurchmessern finden insbesondere in der Partikelmeßtechnik Verwendung. Die Messung von Durch­ messern von Teilchen und hieraus ableitbar von Teilchengrößenverteilungen ist heutzutage eine wichtige Voraussetzung für die technologische Weiterentwicklung z. B. in der Produktionstechnik. Als Beispiele seien Verfahren der Sprühkühlung, Vernebelung, Beschichtung, Gemischaufbereitung oder Lackierung genannt. Vergleichbares gilt für den Bereich der Reinraumtechnik oder des Umweltschutzes, wo der Nachweis von Luftinhaltsstoffen und die Messung korrespondierender Teilchengrößenverteilungen eine zentrale Bedeutung in der Analytik erlangt hat.

Die existierenden Teilchengrößenmeßverfahren lassen sich grob einteilen in mechanische Filter- und Trägheitsabscheider, elektrische Meßverfahren, radio­ aktive Meßverfahren und optische Meßverfahren, wobei noch eine weitere Unter­ teilung darin besteht, ob am Einzelteilchen oder am Teilchenkollektiv ausgewertet wird. Den meisten nichtoptischen Meßverfahren gemein ist, daß erst langwierige Auswertungen z. B. von Impaktor- oder Filterflächen vorgenommen werden müs­ sen, um die gewünschte Teilchengrößeninformation zu erhalten.

Demgegenüber stehen die optischen oder laseroptischen Meßverfahren. Ins­ besondere hervorzuheben sind hierbei die Meßverfahren, die "in-situ" die Teil­ chendurchmesser zu messen erlauben, und zu deren Klasse die vorliegende Erfindung zählt.

Die in den letzten beiden Jahrzehnten entwickelten optischen Teilchengrößenmeß­ verfahren verwenden überwiegend Laserlicht. Das Laserlicht wird hierbei meist in einem Punkt gebündelt, dem sogenannten Meßvolumen, durch das die zu analy­ sierenden Teilchen geführt werden [1]. Das Streulicht, das von Teilchen erzeugt wird, die dieses Meßvolumen durchqueren, wird hinsichtlich verschiedener Eigen­ schaften ausgewertet. So kommen etwa Meßsysteme zur Anwendung, die auf der Beugung der einfallenden Laserstrahlung an den Teilchen beruhen [2, 3]. Charakteristisch für diese Verfahren ist, daß die sich ergebenden komplexen Beugungsmuster flächenhaft erfaßt werden müssen, um die Teilchengrößen­ information in Form des Durchmessers bestimmen zu können. Entsprechend werden Flächendetektoren, z. B. Ringdetektoren, bestehend aus vielen Segmen­ ten, eingesetzt. Die Beugungsverfahren basieren überwiegend auf der Ausnut­ zung der Fraunhofer-Beugung, und es werden Aussagen über den geometrischen Durchmesser von Teilchen möglich.

Andere, nicht auf der Beugung basierende Meßsysteme werten z. B. die Am­ plitudenhöhe des an Teilchen gestreuten Lichtes aus [4, 5], um auf die Teilchen­ größe zurückzuschließen, was der Bestimmung eines optischen Äquivalenzdurch­ messers entspricht. Wieder andere Meßverfahren erlauben es, aus der Modula­ tionstiefe von Laser-Doppler-Anemometrie-Signalen (LDA) Rückschlüsse auf die Teilchengröße zu ziehen [6, 7]. Als Meßverfahren neuerer Art hat sich die Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) etabliert, bei der LDA-Signale mit zwei räumlich getrennten Photodetektoren empfangen werden und aus dem zeitlichen Versatz (Phasenverzug) der Signale auf die Teilchengröße zurückgeschlossen wird [8-10]. Die PDA-Technik liefert einen geometrischen Äquivalenzradius. Abschließend zu erwähnen seien noch holographische Verfahren zur Teilchen­ größenbestimmung [11] sowie Verfahren, die auf Fluoreszenz-Effekten [12] und Trübungseffekten aufbauen [13]. Diese Verfahren haben jedoch in der Vergangen­ heit keine praktische Relevanz erreichen können, da entweder ihre relativ kom­ plizierte Handhabung "in-situ"-Messungen verbietet, oder die Aussageunschärfe als zu groß einzuschätzen ist. Zusammenfassende Darstellungen und Erläuterun­ gen über optische und laseroptische Meßverfahren zur Teilchengrößenmessung finden sich in der Literatur in Form von Übersichtsartikeln [14-16].

Beschränkt man sich auf beugungsbasierte Teilchengrößenmeßverfahren, so zeigt sich, daß diese Verfahren in weiten Bereichen unabhängig von den Eigen­ schaften des Teilchenmediums arbeiten. Die entscheidende Rolle spielt nur die lichtbeugende Kante, d. h. die Kontur des zu analysierenden Teilchens. Langwieri­ ge Kalibrierungen wie etwa bei Verfahren, die die Höhe einer Streulichtamplitude auswerten, entfallen.

Existierende Teilchengrößenmeßverfahren, die auf dem Beugungsprinzip arbei­ ten, lassen sich derzeit dahingehend charakterisieren, daß die zu analysierenden Teilchen von einem raumfesten Punkt, d. h. aus einer Richtung, beleuchtet werden und die sich ergebende räumliche Verteilung des Streulichtes flächenhaft vom Detektor aufgelöst werden muß. Letzteres bringt beträchtliche Probleme hinsicht­ lich der Auflösung der Detektoren und der anschließenden Signalverarbeitung mit sich. Da heutzutage häufig CCD-Bilddetektoren wegen der angestrebten Echtzeit­ fähigkeit des Meßverfahrens eingesetzt werden, kann man sich leicht vorstellen, daß hohe Pixeldichten erforderlich sind, um Feinheiten des Beugungsmusters noch auflösen zu können. Nach der Erfassung durch den Bilddetektor müssen die Bild­ punkte dann noch digital ausgewertet werden, was sehr zeitintensiv ist. Die ver­ wendeten Flächen oder Ringdetektoren sind außerdem im Vergleich zu den an­ deren Bauelementen eines solchen Meßsystems äußerst teuer.

Ein Verfahren, das der vorliegenden Erfindung nahekommt, ohne jedoch die wesentlichen Merkmale aufzuweisen, wird in [17] berichtet. Hierbei werden mehrere kohärente Lichtstrahlen mit konvergierenden Achsen gleichzeitig in ein Meßvolu­ men geführt, in dem sich mehrere Teilchen (Kollektivmeßverfahren) aufhalten. Das sich ergebende Gesamtbeugungsmuster wird ausgewertet, um auf die Teil­ chengrößenverteilung rückschließen zu können. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird hier also kein Lichtstrahl während der Messung um das, oder um die Teilchen geführt, vielmehr wird ortsfest aus unterschiedlichen Richtungen gleichzeitig beleuchtet und das sich ergebende Gesamtbeugungsmuster in unter­ schiedlichen Raumwinkeln detektiert. Die Auswertung bei diesem Verfahren ba­ siert auf der Fourier-Transformation, allerdings auf der optischen, d. h. der Ab­ bildung einer Vielzahl von Beugungsmustern durch eine Linse in die Fourier-Ebene mit anschließender flächenhafter Auswertung des Gesamtbeugungsmusters. Ferner erfordert das Verfahren nach [17], daß die Partikel mit einer konstanten Geschwindigkeit durch das Meßvolumen geführt werden müssen.

Meßverfahren an Teilchenkollektiven ermöglichen in der Regel nur indirekt eine Bestimmung von Teilchengrößenverteilungen, so daß vielfach nur eine "mittlere" Größeninformation zur Verfügung steht.

In [18] wird ein Kollektivmeßverfahren erläutert, das ebenfalls auf der Ausnutzung der Beugung beruht. Teilchen werden beleuchtet und das sich ergebende Ge­ samtbeugungsmuster wird mit einem Flächendetektor analysiert. Auch bei diesem Verfahren wird eine ortsfeste Beleuchtung der zu analysierenden Teilchen im Meßvolumen vorgenommen. Das Verfahren weist somit auch nicht die charakteri­ stischen Merkmale der vorliegenden Erfindung auf, sondern erfordert die z. T. lang­ wierige Auswertung eines ortsfesten, flächenhaft detektierenden Detektors mit den bereits zuvor geschilderten Nachteilen.

In [19] wird eine Vorrichtung beschrieben, die über Merkmale verfügt, die der vorliegenden Erfindung ähneln. Hier wird ein Laserstrahl um ein Teilchenkollektiv geführt und das sich ergebende überlagerte Streulicht sämtlicher beleuchteter Teilchen detektiert. Es handelt sich hierbei allerdings um ein Kollektivmeßverfah­ ren, was direkt nur zu einer mittleren Teilchendurchmesserinformation führt. Aus­ sagen über die Teilchengrößenverteilung lassen sich hiermit, wenn überhaupt, nur indirekt, z. B. über komplizierte Rückfaltungen und Kalibrierungen gewinnen. Cha­ rakteristisch für diese Verfahren ist somit, daß ein Partikelkollektiv durchleuchtet wird. Eine Einzelteilchenerfassung und -auswertung, die der vorliegenden Erfin­ dung zugrunde liegt, und die schon von der rein instrumentellen Realisierung ein höheres räumliches und zeitliches Auflösevermögen bedingt, liegt in [19] nicht vor. Grundsätzlich läßt sich sagen, daß nur im Falle einer diskreten Einzelteilchen­ erfassung mit anschließender Einzelteilchenauswertung Verteilungsstatistiken direkt und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Durchmesser jeweils einzelner Teilchen, und hieraus ableitbar deren Teilchengrößenverteilung, ein­ facher, schneller und kostengünstiger zu bestimmen, als dies bislang geschehen konnte.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 8. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Charakteristisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß, im Gegensatz zu allen bisherigen auf der Ausnutzung der Beugung beruhenden Teilchengrößen­ meßverfahren, der beleuchtende Laserstrahl während der Messung in einem Winkelbereich um ein jeweils beleuchtetes Teilchen geführt wird. Die Richtungs­ änderung der Beleuchtung geschieht z. B. mit konstanter Winkelgeschwindigkeit so schnell, daß eine eventuelle Eigenbewegung des Teilchens, das beispiels­ weise in einem Fluid suspendiert vorliegt, vernachlässigt werden kann. Den Dreh­ mittelpunkt für die Richtungsänderung der Beleuchtung stellt das Meßvolumen, bzw. das Teilchen im Meßvolumen dar. Durch die Richtungsänderung wird die sich hinter dem Teilchen ausbildende Beugungsverteilung ebenfalls im Raum mit­ gedreht. Das Beugungsmuster wird hierbei über einen geeignet im Raum fest an­ geordneten Detektor hinwegbewegt, der die Minima und Maxima der Beugungs­ verteilung detektiert. Hierdurch werden z. B. das Maximum 0. Ordnung und das folgende Maximum 1. Ordnung der Beugungsverteilung als Lichtpulse detektierbar, da sie über den Detektor hinwegstreichen. Da die Richtungsänderung des be­ leuchtenden Laserstrahles vorzugsweise mit konstanter oder zumindest annähernd konstanter Winkelgeschwindigkeit erfolgt, kann aus der Zeit, die zwischen den detektierten Maxima oder Minima, z. B. den Maxima 0. und 1. Ordnung, ver­ streicht, auf den Teilchendurchmesser zurückgeschlossen werden. Aus der Physik wissen wir, daß der Winkel zwischen 0. Maximum und 1. Maximum in der Beu­ gungsverteilung hinter einer beugenden Scheibe (Teilchen) in eindeutigem Zu­ sammenhang mit dem Teilchendurchmesser steht. Letzteres gilt auf jeden Fall, wie man leicht anhand der Mie-Theorie nachweisen kann [20], für Teilchen, deren Durchmesser größer als die Wellenlänge des beleuchtenden Lichtes ist und legt zusammen mit dem Winkelbereich der Beleuchtungsrichtungsänderung den Meß­ bereich einer Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach unten hin, d. h. zu kleinen Teilchendurchmessern, fest. Entscheidend ist hierbei, daß der gewählte Winkelbereich noch mindestens zwei Minima oder Maxima der Beu­ gungsverteilung zu bestimmen erlaubt. Um ein Beispiel zu nennen sei auf [21] verwiesen, wo gezeigt werden konnte, daß das Maximum 1. Ordnung der Beu­ gungsverteilung bei einem Teilchen vom Radius 1 µm noch in einen, sicherlich leicht zu realisierenden, Winkelbereich kleiner 30° Grad fällt. Die obere Meß­ bereichsbegrenzung wird durch die Größenordnung der Dicke des beleuchten­ den Laserstrahles vorgegeben. Selbstverständlich sollte sichergestellt sein, daß das Teilchen bei der Messung vom Laserstrahl vollständig beleuchtet wird, d. h. der maximal erfaßbare Teilchendurchmesser ergibt sich kleiner als der Laserstrahl­ durchmesser am Meßort.

Die Winkelgeschwindigkeit des sich in der Richtung ändernden, das Teilchen beleuchtenden Laserstrahles wird vorteilhafterweise konstant gewählt werden, da hierdurch die Auswertung des zeitveränderlichen Detektorsignals einfach wird. Denkbar ist allerdings auch, daß z. B. Ablenkeinheiten oder nachgeordnete optische Komponenten, wie etwa Spiegel oder Linsen gewählt werden, die wäh­ rend der Messung eine zeitveränderliche Winkelgeschwindigkeit bewirken. In diesen Fällen muß das erhaltene Detektorsignal zeitlich entzerrt werden, um die Teilchengrößeninformation zu gewinnen.

Sofern es sich bei den zu analysierenden Teilchen um transparente Medien han­ delt, können der Beugungsverteilung Streulichtanteile aus Lichtbrechung und -reflexion am bzw. im Teilchen überlagert sein. Letztere treten jedoch meistens unter Winkeln zur Beleuchtungsrichtung auf, die bei der Auswertung der Vorwärts­ lichtbeugung nicht herangezogen werden.

Anstelle der während der Messung erfolgenden Beleuchtung der Teilchen durch kontinuierlich emittierte Laserstrahlung ist auch die Beleuchtung durch gepulste Laserstrahlung während der Richtungsänderung denkbar, wobei die Pulsfrequenz viel größer sein muß als die Rotations- oder Schwingungsfrequenz der Ablenk­ einheit, so daß sich auf dem Detektor ein quasikontinuierliches Signal abzeichnet.

Das Überstreichen des Winkelbereichs durch den das Teilchen beleuchtenden Laserstrahl, und damit die Messung, erfolgt in einer Zeitdauer, die viel kleiner sein sollte als die Durchtrittszeit des Teilchens durch den Meßort. Hierdurch wird der Einfluß, den die Eigenbewegung des Teilchens auf das Meßergebnis ausüben könnte, weitgehend unterdrückt. Letzteres bedeutet, daß im Gegensatz zu den meisten, beugungsbasierten Teilchengrößenmeßverfahren keine Probennahme unter reproduzierbaren Randbedingungen mehr erfolgen muß. Vielmehr läßt sich nun eine Vorrichtung basierend auf diesem neuen Verfahren direkt z. B. in tech­ nische Strömungskreisläufe zur Überwachung der Teilchenphase einbauen. Ein entscheidender Vorteil, der den Echtzeiteinsatz des erfindungsgemäßen Verfah­ rens unter realistischen Bedingungen ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die kontinuierliche Aufzeichnung der Intensitätsverteilung der Beugungsfigur auf einer Schnittlinie durch dieselbe. Hierbei findet keine Quantisierung in Form von Bildpunkten statt, wie etwa bei der flächenhaften Auflösung von Beugungsfiguren auf CCD-Bilddetektoren, die eine nachteilige Auswirkung auf die Meßgenauigkeit zeitigen könnte. Es muß somit kein Bilddetektor verwendet werden, ein Punktdetektor reicht aus. Zum Zwecke der Beeinflussung der Ortsauflösung des Detektors kann vor diesem eine Blende an­ gebracht werden. Denkbar ist auch, daß z. B. zwecks Steigerung der Beugungs­ lichtausbeute vor dem Detektor eine Empfangslinse angeordnet wird.

Das detektierte Signal wird in einer Auswerteeinheit ausgewertet. Hierbei wird z. B. der Zeitabstand zwischen ausgewählten Maxima oder Minima des Detektor­ signals bestimmt, der in Zusammenhang mit dem Teilchendurchmesser steht. Aus den erhaltenen Werten der Einzelteilchenmessungen läßt sich danach eine Teil­ chengrößenverteilung erstellen.

Besonders hervorzuheben ist, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die bislang flächenhaft anfallende Information nun durch ein zeitveränderliches Signal wiedergegeben wird, das im Zeit- oder Frequenzbereich ausgewertet werden kann. Letzteres eröffnet die vorteilhafte Möglichkeit, für die Auswertung der erhaltenen Signale eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) bzw. eine Digitale Fast-Fourier- Transformation (DFFT) des detektierten Signals durchzuführen. Das Detektorsig­ nal spiegelt nämlich den Verlauf der teilchengrößenabhängigen Beugungsfigur wider. Unterwirft man dieses Signal oder Teile des Signals einer FFT oder DFFT, so erhält man eine Frequenzinformation, die in direktem Zusammenhang mit dem Teilchendurchmesser steht. Es wird also in diesem Fall eine, die Beugungsfigur kennzeichnende Frequenzinformation erhalten, die einer bestimmten Teilchen­ größe entspricht.

Um bei der Detektion Übersteuerungen des Detektors zu vermeiden, wenn der beleuchtende Laserstrahl selbst über den Detektor hinwegstreicht, kann der Detek­ tor ein wenig aus der Ebene, die durch den sich in der Richtung ändernden Laser­ strahl gebildet wird, herausgehoben positioniert werden. Denkbar wäre auch die Verwendung einer Empfangslinse oder einer kleinen Scheibe vor dem Detektor, die an der Schnittlinie, an der sie vom beleuchtenden Laserstrahl überstrichen werden, mit Hilfe eines dünnen Blendenstreifens lichtundurchlässig ausgebildet werden. Für die räumliche Anordnung des Detektors ist ansonsten nur wichtig, daß er zumindest noch einen Teil des Beugungsmusters empfängt, aus dem die Teilchengrößeninformation abgeleitet werden kann. Um Streulicht, das nicht vom Meßvolumen herrührt, auszublenden, können sende- wie empfangsseitig zusätzlich Blenden oder Masken in den Strahlengang der Beleuchtung oder der Detektion eingebracht werden.

Als Ablenkeinheiten, die für die Richtungsänderung des beleuchtenden Laser­ strahles sorgen, kommen z. B. rotierende oder schwingende Spiegel, Polygon­ scanner, Galvanometer aber auch optoakustische Deflektoren in Betracht, die entweder allein, oder in Kombination mit Linsen oder Spiegeln eingesetzt werden, um den Laserstrahl während der Messung um das Teilchen zu führen. Als Alter­ native wäre auch ein kleiner schnell bewegter Laser, z. B. ein Diodenlaser, denk­ bar, der auf einer Halterung während der Messung sehr schnell um das Meßvolu­ men geführt wird.

Vorstellbar ist auch, daß eine Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren z. B. zwecks Beleuchtungssteigerung, Meßbereichserweiterung oder Genau­ igkeitssteigerung mit mehr als einem, sich während der Messung in der Richtung ändern den Laserstrahl gleicher oder unterschiedlicher Lichtfrequenz arbeitet. Auch kommt die Verwendung von mehr als einem Detektor in Betracht, um z. B. die Lichtausbeute des gebeugten Lichtes zu erhöhen. Ebenso denkbar ist, daß z. B. zwecks Erweiterung des Winkelbereichs, in dem der beleuchtende Laserstrahl um das Teilchen geführt wird, mehr als eine Ablenkeinheit eingesetzt wird.

Bei der Bestimmung der Teilchengrößenverteilung aus den Ergebnissen von Ein­ zelteilchenmessungen kann, je nach Aufenthaltsdauer der Teilchen im Meßvolu­ men, der Fall eintreten, daß z. B. aufgrund einer hohen Repetitionsrate des Meß­ vorganges, dasselbe Teilchen mehrfach ausgewertet wird, da es das Meßvolumen noch nicht verlassen hat. Hierzu ist anzumerken, daß erstens die Einzelmessun­ gen weiterhin korrekt sind, und zweitens der Umstand der Mehrfachauswertung von Teilchen keine Verfälschung der zu ermittelnden Teilchengrößenverteilung bedingt. Es spielt nämlich keine Rolle, ob ein Teilchen mehrfach ausgewertet wird bis das nächste Teilchen ins Meßvolumen gelangt, da dieses dann ebenfalls, statistisch betrachtet, mehrfach ausgewertet wird usw. Die relative Häufigkeit der Teilchen unterschiedlicher Größe, aus der die Teilchengrößenverteilung aufgebaut wird, wird hierdurch nicht verfälscht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von zwei Zeichnungen im einzelnen erläutert wird. Dabei zeigt:

Fig. 1 Eine Zeichnung, in der eine Ausführungsform basierend auf der Richtungsänderung des beleuchtenden Laserstrahles durch einen rotierenden oder schwingenden Spiegel dargestellt wird.

Fig. 2 Eine Zeichnung des qualitativen Verlaufs charakteristischer Detektor­ signale mit der Zeit.

Die Erfindung kann z. B., wie in Fig. 1 dargestellt, realisiert werden durch eine Vorrichtung, die aus einem Laser (1), der einen Laserstrahl (2) aussendet, einem rotierenden oder schwingenden Spiegel (3), einer Sendelinse (7) und einem Detektor (13) besteht. Teilchen (15) durchqueren einzeln das Meßvolumen (8), welches den Ort darstellt, der während der Messung aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet wird. Durch die Drehung des Spiegels (3) während der Messung treten verschiedene Laserstrahlrichtungen auf. Von den möglichen Ein­ strahlungsrichtungen des Laserstrahles werden in Fig. 1 exemplarisch nur die Richtung (4) bei Beginn der Messung, die Richtung (6) bei Ende der Messung sowie die Richtung (5) in der Mitte der Meßzeit wiedergegeben. Die sich hierbei ergebenden korrespondierenden Richtungen des beleuchtenden Laserstrahles im Meßvolumen werden mit A, B, C bezeichnet. Einzelteilchen (15) werden somit während ihrer Aufenthaltszeit im Meßvolumen (8) kontinuierlich aus verschiedenen Richtungen beleuchtet. Für jede Richtung des beleuchtenden Laserstrahles z. B. (A, B, C) ergibt sich hinter dem Einzelteilchen ein, in polarer Darstellung aufgetra­ gen, keulenartiges Beugungsmuster. So erzeugt der Laserstrahl aus Richtung (A) das Beugungsmuster (11), der Laserstrahl aus Richtung (B) das Beugungsmuster (10) und der Laserstrahl aus Richtung (C) das Beugungsmuster (9). Dies bedeu­ tet, daß sich mit der Richtungsänderung des beleuchtenden Laserstrahles wäh­ rend der Messung das für den Teilchendurchmesser charakteristische Beugungs­ muster über den im Raum fest positionierten Detektor (13) hinwegbewegt. Der Detektor (13) empfängt somit die örtlich variierende Intensität der Beugungsver­ teilung als zeitveränderliches Signal. Da die Winkelgeschwindigkeit des Spie­ gels (3) a priori bekannt ist, kann aus dem detektierten, zeitveränderlichen Signal auf die räumliche Verteilung des Beugungsmusters, und damit auf den Teilchen­ durchmesser, eindeutig zurückgeschlossen werden. Bei dem vorliegenden Aus­ führungsbeispiel wird sendeseitig noch eine Blende (14) eingesetzt, um den sich in der Richtung ändernden Laserstrahl nur im Erfassungsbereich der Sendelinse (7) durchzulassen. Empfangsseitig wird bei dieser Ausführungsform vor dem De­ tektor eine Blende (12) vorgesehen, was eine Veränderung der Größe des detek­ tierten Punktes, und damit eine Veränderung der Ortsauflösung ermöglicht.

In Fig. 2 wird in korrespondierender Weise zu der in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsform der qualitative Verlauf des Detektorsignals I als Funktion der Zeit t für drei unterschiedliche Teilchengrößen wiedergegeben. Fig. 2a) zeigt hierbei das Signal (16) eines Teilchens mit Durchmesser d₁, Fig. 2b) das Signal (17) eines größeren Teilchens mit Durchmesser d₂ und Fig. 2c) das Signal (18) eines noch größeren Teilchens mit Durchmesser d₃. Die Teilchengrößeninformation kann z. B. im Zeitbereich aus den Zeiten T₁, T₂, T₃, bestimmt werden, die zwischen dem 0. und 1. Maximum verstreichen, oder es kann eine Auswertung der Signale im Frequenzbereich erfolgen. Die Auswertung der Signale (16, 17, 18) übernimmt in beiden Fällen eine elektronische Auswerteeinheit.

Literatur

[1] Ruck, B. (Hrsg.), 1990: "Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik", Fachbuch, AT-Fachverlag Stuttgart, 3, 99-150, ISBN: 3-921 681-01-4
[2] Lightfoot, N. S., Watson, D. J., 1990: "The Effect of Optical Properties of Particles and Dispersing Media on Particle Size Analysis by Laser Diffrac­ tion", Proc. 2nd Int. Congress on Optical Particle Sizing, Arizona State University, Tempe, 511-520
[3] Hirleman, E. D., 1988: "Modeling of Multiple Scattering Effects in Fraunhofer Diffraction Particle Size Analysis", Part. Part. Syst. Charact., 5, 57-65
[4] Grehan, G., Gouesbet, G., 1986: "Simultaneous Measurements of Veloci­ ties and Sizes of Particles in Flows Using a Combined System Incorpora­ ting a Top-Hat Beam Technique", Applied Optics, 25, 19, 3527-3538
[5] Jacobi, W., Eichler, J., Stolterfoht, N., 1968: "Teilchengrößen-Spektrometrie von Aerosolen durch Lichtstreuung in einem Laserstrahl", Staub-Rein­ haltung Luft, 28, 8, 314-319
[6] Farmer, W. M., 1972: "Measurement of Particle Size, Number, Density and Velocity using a Laser Interferometer", Journal of Applied Optics, 11, 2603-2612
[7] Adrian, R. J., Orloff, K. L., 1977: "Laser Anemometer Signals: Visibility Characteristics and Application to Particle Sizing", Appl. Opt., 16, 3, 677-684
[8] Bachalo, W. D., Houser, M. J., 1984: "Phase/Doppler Spray Analyzer for Simultaneous Measurements of Drop Size and Velocity Distributions", Optical Engineering, 23, 5, 583-590
[9] Saffmann, M., 1989: Phasen-Doppler-Methode zur optischen Partikelgrös­ senmessung", tm Technisches Messen, 56, 7/8, 298-303
[10] Bauckhage, K., Schulte, G., 1990: "Phasen-Doppler-Anemometrie", in Laser­ methoden in der Strömungsmeßtechnik, B. Ruck (Hrsg.), AT-Fachverlag Stuttgart, 7, 263-282, ISBN: 3-921 681-01-4
[11] Adnan, Al-aithawi, Kornis, J., Fuzessy, Z., 1990: "Full Automatic System to Evaluate a Particle Size Hologram", Proc. 2nd Int. Congress on Optical Particle Sizing, Arizona State University, Tempe, 556-564
[12] Yeh, C.-N., Kosaka, H., Kamimoto, T., 1993: "A Fluorescence/Scattering Imaging Technique for Instantaneous 2-D Measurement of Particle Size Distribution in a Transient Spray", Proc. 3rd Int. Congress on Optical Par­ ticle Sizing, Yokohama, Japan, 355-361
[13] Gougeon, P., Le Toulouzan, J. N., Gouesbet, G., Thenard, C., 1987: "Opti­ cal Measurements of Particle Size and Concentration in Densely Laden Media Using a Visible/Infrared Double Extinction Technique", J. Phys. E:Sci. Instr., 20, 1235-1242
[14] Durst, F., 1982: "Review - Combined Measurements of Particle Velocities, Size Distributions, and Concentrations", J. of Fluids Engineering, 104, 284-295
[15] Gouesbet, G., 1985: "A Review on Measurements of Particle Velocities and Diameters by Laser Techniques, with Emphasis on Thermal Plasmas", Plasma Chemistry and Plasma Processing, 5, 2, 91-117
[16] Tayali, N. E., Bates, C. J., 1990: "Particle sizing techniques in multiphase flows: A review", Flow Meas. Instrum., Vol. 1, January 1990, 77-105
[17] Meric, J. P., Bajard, J., 1983: "Overall Interferometric Sizing of Scattered Biological Particles Distributed Randomly in Fluid Suspension Illuminated by Converging Coherent Beams Submitted to Fourier Transform Proces­ sing", Europäische Patentanmeldung 8917 EP 86170
[18] Holve, D. J., 1991: "Using Ensemble Diffraction to Measure Particle Size Distribution", Powder and Bulk Engineering, 5(6), 15-16, 18-19
[19] Moser, H., 1972: "Vorrichtung für die schnelle Messung der Streulichtwinkel­ abhängigkeit kleiner Partikel", Auslegeschrift 2254764, Deutsches Patentamt
[20] Mie, G., 1908: "Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metall­ lösungen, Annal. d. Physik, 4. Folge, Band 25
[21] Ruck, B., 1981: "Untersuchungen zur optischen Messung von Teilchen­ größe und Teilchengeschwindigkeit mit Streulichtmethoden", Dissertation, Universität Karlsruhe

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung des Durchmessers von Teilchen, die jeweils einzeln von einem Laserstrahl beleuchtet werden, wobei das vom jeweils beleuchteten Teilchen gebeugte Licht von einem Detektor empfangen wird und die Detektorsignale ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der beleuchtende Laserstrahl während der Messung durch eine Rich­ tungsänderung in einem Winkelbereich um das jeweils beleuchtete Teilchen geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rich­ tungsänderung des beleuchtenden Laserstrahls mechanische, elektroni­ sche, akustooptische oder elektrische Ablenkeinheiten verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Detektor im Raum angeordnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Laserstrahl zur Beleuchtung der Teilchen verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Detektorsignale Methoden der Fast-Fourier-Trans­ formation (FFT) oder der Digitalen Fast-Fourier-Transformation (DFFT) eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sende- und/oder eine Empfangsoptik verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Blenden sende- und/oder empfangsseitig verwendet werden.

8. Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers von Teilchen, zur Durch­ führung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bestehend aus

• 1. mindestens einer Laserlichtquelle,
• 2. mindestens einem Detektor,
• 3. Mitteln, um jeweils einzelne Teilchen mit dem Laserstrahl zu beleuchten,
• 4. mindestens einer Ablenkeinheit, die eine Richtungsänderung des beleuch­ tenden Laserstrahles dergestalt zuläßt, daß der beleuchtende Laser­ strahl während der Messung in einem Winkelbereich um das Teilchen geführt wird,
• 5. einer Auswerteeinheit für die Auswertung der Detektorsignale.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rich­ tungsänderung des beleuchtenden Laserstrahles mechanische, elektroni­ sche, akustooptische oder elektrische Ablenkeinheiten verwendet werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung elektronische Komponenten zur Fast-Fourier-Trans­ formation (FFT) oder zur Digitalen Fast-Fourier-Transformation (DFFT) beinhaltet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sende- und/oder eine Empfangsoptik verwendet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Blenden sende- und/oder empfangsseitig verwendet werden.