DE19610438C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Lichtabsorption eines beliebig geformten Partikels - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Lichtabsorption eines beliebig geformten PartikelsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Lichtabsorption eines beliebig geformten Partikels.
Aus der DE-AS 22 04 079 ist eine Vorrichtung zum Messen an
Partikeln und ein entsprechendes Verfahren bekannt, wobei
Partikel in eine Ulbricht-Kugel eingebracht werden, die von
einem über eine Eintrittsöffnung eintretenden Meßlichtstrahl
durchsetzt ist und die eine Austrittsöffnung aufweist, wobei
das Partikel mit dem Meßlichtstrahl bestrahlt wird und wobei
die Intensität der partikelbeeinflußten diffusen Strahlung in
der Ulbricht-Kugel gemessen wird mittels eines Sensors, der
durch eine Blende von direkt von dem Partikel reflektierten
Licht abgeschattet ist.
Ferner sind in der DE 36 05 436 A1 eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Bestimmen der Lichtabsorption von transparenten
Lackschichten offenbart, wobei ein Meßlichtstrahl durch eine
mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung ver
sehene Ulbricht-Kugel auf die Lackschicht gerichtet wird, das
durch die Lackschicht tranmittierte, an einer Metallober
fläche reflektierte und erneut durch die Lackschicht durch
gelassene Licht zu diffuser Strahlung in der Ulbricht-Kugel
führt und diese diffuse Strahlung durch einen Sensor gemessen
wird.
Bislang ist kein Verfahren bekannt, mit welchem sich der
Albedo- und der Emissionsgrad eines einzelnen beliebig
geformten Partikels mit einer Größe, für welche die Gesetze
der geometrischen Optik gültig sind, bestimmen lassen.
Es sind nur rechnerische Verfahren dann möglich, wenn der
Brechungsindex bekannt ist und das Partikel eine ideal
sphärische, zylindrische oder ellipsoidische Form aufweist.
Bei Partikeln mit irregulärer, das heißt beliebiger Form
versagen jedoch diese rechnerischen Verfahren.
Die Bedeutung der Albedo und des Emissionsgrades eines Par
tikels ist zum Beispiel für die Farbstoffindustrie bei der
Herstellung von Pigmenten oder für die Emissionsgradbestim
mung in Industrieöfen von Bedeutung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lichtabsorption eines
beliebig geformten Partikels zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
Partikel elektrostatisch aufgeladen und mittels eines elek
trischen Feldes in einer Ulbricht-Kugel berührungsfrei posi
tioniert wird, daß das so positionierte Partikel mit einem
Meßlichtstrahl mit definiertem Strahlquerschnitt und defi
nierten Intensitätsverteilung über diesem angestrahlt wird,
daß mittels eines Sensors die Intensität der partikelbeein
flußten diffusen Strahlung in der Ulbricht-Kugel gemessen
wird, daß die vom Meßlichtstrahl ausgeleuchtete Partikelquer
schnittsfläche bestimmt wird und daß aus der Intensität des
Meßlichtstrahls, der Intensität der partikelbeeinflußten
diffusen Strahlung sowie der vom Meßlichstrahl ausgeleuch
teten Partikelquerschnittsfläche die Lichtabsorption er
mittelt wird.
Mit diesem erfindungsgemäßen Meßverfahren ist somit erstmalig
die Möglichkeit geschaffen, bei beliebig geformten Partikeln
der Absorptionsgrad zu bestimmen und ausgehend von dem Ab
sorptionsgrad in gleicher Weise auch den Albedo und den
Emissionsgrad dieses beliebig geformten Partikels.
Dabei kann die vom Meßlichtstrahl ausgeleuchtete Partikel
querschnittsfläche vor oder nach Messung der Intensität die
partikelbeeinflußten diffusen Strahlung in der Ulbricht-Kugel
erfolgen.
Ferner wird das Partikel zur Messung der Intensität der
partikelbeeinflußten diffusen Strahlung vorzugsweise nahe des
Mittelpunkts der Ulbricht-Kugel positioniert.
Rein prinzipiell wäre es im Rahmen der erfindungsgemäßen
Lösung denkbar, das Partikel mittels eines elektrischen
Gleichfeldes berührungsfrei in der Ulbricht-Kugel zu positio
nieren. Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor,
daß das Partikel mittels eines elektrischen Gleich- und eines
elektrischen Wechselfeldes berührungsfrei positioniert wird,
wobei das elektrische Wechselfeld dem elektrischen Gleichfeld
überlagert ist und die Kombination beider ein Potentialmini
mum für das elektrostatisch geladene Partikel ergibt.
Das Potentialminimum liegt dabei vorzugsweise nahe des
Mittelpunkts der Ulrbicht-Kugel.
Ferner läßt sich im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung die
Intensität des Meßlichtstrahls selbst beispielsweise mit
einem üblichen Intensitätsmeßgerät bestimmen. Um jedoch den
Einfluß der Ulbricht-Kugel, insbesondere der diffus reflek
tierenden Beschichtung der Ulbricht-Kugel, unmittelbar be
rücksichtigen zu können, hat es sich als besonders vorteil
haft erwiesen, wenn die Intensität des Meßlichtstrahls durch
Einstrahlung desselben in die Ulbricht-Kugel ohne Anstrahlen
des Partikels und Messung der Intensität der diffusen Strah
lung in der Ulbricht-Kugel bestimmt wird. Hiermit sind sämt
liche Einflüsse der Ulbricht-Kugel und auch der in dieser an
geordneten Elektroden für die Erzeugung des elektrischen
Feldes bereits bei der Messung der Intensität des Meßlicht
strahls berücksichtigt.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Intensität des Meß
lichtstrahls durch Einstrahlen in die Ulbricht-Kugel dadurch,
daß der Meßlichtstrahl auf einen diffus reflektierenden Wand
bereich der Ulbricht-Kugel gerichtet wird.
Um - wie später noch eingehend erläutert - auch die Möglich
keit zu haben, mit einem durch die Ulbricht-Kugel hindurch
tretenden Meßlichtstrahl zu arbeiten, wird der diffus reflek
tierende Wandbereich vorzugsweise durch einen Wandbereich
einer Blende gebildet, mit welcher eine Austrittsöffnung der
Ulbricht-Kugel verschließbar ist.
Die Bestimmung der Intensität des Meßlichtstrahls könnte bei
spielsweise bereits zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu welchem
noch kein Partikel in dem elektrischen Feld berührungsfrei
positioniert ist.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Bestimmung der
Intensität des Meßlichtstrahls durch Einstrahlen in die
Ulbricht-Kugel bereits zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu welchem
das Partikel bereits in dem elektrischen Feld in der
Ulbricht-Kugel positioniert ist. Hierzu wird vorzugsweise
dann das Partikel neben dem Meßlichtstrahl positioniert, was
durch Einstellen des elektrischen Gleich- und des elek
trischen Wechselfeldes möglich ist.
Besonders präzise ist die Messung dann, wenn zur Bestimmung
der Intensität des Meßlichtstrahls und zur Bestimmung der
Intensität der diffusen partikelbeeinflußten Strahlung in der
Ulbricht-Kugel der Meßlichtstrahl und die Ulbricht-Kugel un
verändert zueinander positioniert bleiben.
Dies läßt sich besonders einfach dann realisieren, wenn zu
nächst zur Bestimmung der Intensität des Meßlichtstrahls das
Partikel neben dem Meßlichtstrahl positioniert wird und dann
zur Bestimmung der Intensität der diffusen Partikel beein
flußten Strahlung das Partikel lediglich in den Meßlicht
strahl hineinbewegt werden muß.
Um eine exakte Ermittlung des Absorptionsgrades des Partikels
durchführen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die
Intensitätsverteilung des Meßlichtstrahls in jedem Punkt der
Strahlquerschnittsfläche desselben ermittelt wird.
Eine hierzu alternative Lösung sieht vor, daß ein Meßlicht
strahl mit einer über seiner Querschnittsfläche im wesent
lichen homogenen Intensitätsverteilung verwendet wird, so daß
lediglich noch die Bestimmung der Strahlquerschnittsfläche
erforderlich ist.
Hinsichtlich der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikel
querschnittsfläche wurden bislang keine näheren Angaben ge
macht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor,
daß die vom Meßlichtstrahl
ausgeleuchtete Partikelquerschnittsfläche durch Projektion
eines Schattenumrisses des im Meßlichtstrahl positionierten
Partikels in Ausbreitungsrichtung des Meßlichtstrahls auf
eine Projektionsfläche ermittelt wird.
Dies läßt sich besonders einfach dann realisieren, wenn die
Projektionsfläche außerhalb der Ulbricht-Kugel angeordnet
wird.
Da die Partikel in der Regel sehr klein sind, ist es be
sonders vorteilhaft, wenn der Schattenumriß des Partikels
durch eine Projektionsoptik vergrößert auf der Projektions
fläche abgebildet wird, so daß der Schattenumriß des Par
tikels deutlicher sichtbar ist.
Der Schattenumriß auf der Projektionsfläche könnte dabei bei
spielsweise direkt beobachtet werden. Noch vorteilhafter ist
es jedoch, wenn die Projektionsfläche durch eine Oberfläche
eines photosensitiven Speicherelements gebildet wird, wobei
dieses Speicherelement im einfachsten Fall ein üblicher foto
grafischer Film sein kann.
Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Projektionsfläche
durch die Oberfläche einer elektronischen Bilderfassungsein
heit gebildet wird, da sich mit dieser elektronischen Bilder
fassungseinheit der Schattenumriß wesentlich vorteilhafter
speichern und auswerten läßt.
Um eine sehr große Genauigkeit bei der Auswertung der vom
Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche zu
erhalten ist vorzugsweise vorgesehen, daß zur Messung der vom
Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche der
Meßlichtstrahl und das Partikel in derselben Position relativ
zueinander stehen wie bei der Messung der Intensität der
diffusen partikelbeeinflußten Strahlung in der Ulbricht-
Kugel.
Rein theoretisch wäre es denkbar, auch bereits bei teilweise
ausgeleuchteter Partikelquerschnittsfläche diese zu erfassen
und die Messung der diffusen partikelbeeinflußten Strahlung
durchzuführen, um hieraus den Absorpotionsgrad zu ermitteln.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Partikel zur
Messung der Intensität der diffusen partikelbeeinflußten
Strahlung in der Ulbricht-Kugel bei angestrahltem Partikel
als Ganzes innerhalb des Strahlquerschnitts des Meßlicht
strahls positioniert wird, so daß die gesamte Partikelquer
schnittsfläche in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitung des
Meßlichtstrahls ausgeleuchtet ist.
Diese Vorgehensweise erleichtert im übrigen auch die
Ermittlung der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikel
querschnittsfläche durch Projektion des Schattenumrisses auf
die Projektionsfläche.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Lichtabsorption von beliebig geformten Par
tikeln, welche erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Vorrichtung eine Elektrodenanordnung zur berührungs
freien Positionierung eines elektrostatisch geladenen Par
tikels aufweist, daß die Elektrodenanordnung von einer
Ulbricht-Kugel umgeben ist, daß die Ulbricht-Kugel mit einem
Sensor zur Messung der diffus reflektierten Strahlung in der
Ulbricht-Kugel versehen ist und daß die Ulbricht-Kugel eine
Eintrittsöffnung für einen Meßlichtstrahl zum Anstrahlen des
von der Elektrodenanordnung berührungsfrei gehaltenen Par
tikels aufweist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu
sehen, daß diese die Möglichkeit schafft, einerseits das Par
tikel im Meßlichtstrahl zu positionieren und um die partikel
beeinflußte diffus reflektierte Strahlung innerhalb der
Ulbricht-Kugel zu erfassen und aus dieser Intensität der par
tikelbeeinflußten diffusen Strahlung die Lichtabsorption des
Partikels unter Heranziehung der Intensität des Meßlicht
strahls und der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Quer
schnittsfläche des Partikels zu bestimmen.
Die Elektrodenanordnung kann beliebig ausgebildet sein,
sofern sich mit dieser eine Positionierung eines elektrisch
geladenen Partikels realisieren läßt. So wäre es beispiels
weise ausreichend, wenn die Elektrodenanordnung zwei Ring
elektroden aufweist.
Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Elektrodenan
ordnung zwei Ringelektroden zur Erzeugung eines elektrischen
Gleichfeldes und zwei Ringelektroden zur Erzeugung eines
elektrischen Wechselfeldes aufweist, da mit dieser
Lösung eine höhere Stabilität der Partikel bei der Positio
nierung erreichbar ist.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Elektroden für das
Wechselfeld und das Gleichfeld voneinander getrennt ange
ordnet sind.
Vorzugsweise sind die Wechselfeldelektroden zwischen den
Gleichfeldelektroden angeordnet, wodurch sich das Partikel
besser stabilisieren läßt.
Noch vorteilhafter für die Stabilisierung des Partikels ist
es, wenn die Wechselfeldelektroden einen größeren Durchmesser
als die Gleichfeldelektroden aufweisen.
Eine Ulbricht-Kugel im Sinne dieser Erfindung wird gebildet
durch eine kugelförmige Innenfläche eines Kugelgehäuses,
welche mit einer das Meßlicht diffus reflektierenden Be
schichtung versehen ist.
Diese Beschichtung ist beispielsweise im Fall des sichtbaren
Lichtes eine weiße diffus reflektierende Beschichtung, im
Fall von Infrarotlicht beispielsweise eine Goldbeschichtung.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Elektroden der
Elektrodenanordnung mit derselben diffus reflektierenden
Beschichtung versehen sind, die auch die Ulbricht-Kugel auf
weist.
Ferner ist vorgesehen, daß der Sensor mit einer direkt von
dem Partikel reflektiertes Meßlicht abschattenden Abschirm
blende versehen ist, um sicherzustellen, daß der Sensor
lediglich die Intensität des diffus in der Ulbricht-Kugel
reflektierten Lichtes mißt.
Der Sensor kann in unterschiedlichster Art und Weise ausge
bildet sein. Er muß jedoch für die Messung der Intensität des
Meßlichts geeignet sein. So ist beispielsweise bei Verwendung
von im sichtbaren Bereich liegendem Meßlicht ein Photo
multiplier oder eine Photodiode verwendbar, während im
Infraroten beispielsweise infrarotempfindliche Dioden Ver
wendung finden.
Um außerdem die Möglichkeit zu schaffen, den Meßlichtstrahl
durch die Ulbricht-Kugel hindurchtreten zu lassen, insbeson
dere zur Bestimmung der ausgeleuchteten Partikelquerschnitts
fläche, ist die Ulbricht-Kugel vorzugsweise mit einer der
Eintrittsöffnung für den Meßstrahl gegenüberliegenden und
verschließbaren Austrittsöffnung versehen.
Diese Austrittsöffnung ist für die Messung der Intensität der
diffus in der Ulbricht-Kugel reflektierten Strahlung ver
schließbar, während die Austrittsöffnung für die Bestimmung
der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnitts
fläche geöffnet ist.
Vorzugsweise ist zur Vereinfachung der Bestimmung der vom
Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche
vorgesehen, daß der aus der Austrittsöffnung austretende Meß
lichtstrahl mittels einer Projektionsoptik auf eine Projek
tionsfläche abbildbar ist.
Vorzugsweise ist dabei die Projektionsoptik so dimensioniert,
daß durch diese das in der Elektrodenanordnung berührungsfrei
positionierte Partikel auf die Projektionsfläche vergrößert
abbildbar ist. Vorzugsweise wird mit einer mehrfachen, bei
spielsweise einer 10-fachen Vergrößerung, gearbeitet.
Die Projektionsfläche kann ihrerseits beispielsweise durch
die Oberfläche eines photosensitiven Elements gebildet sein.
Ein derartiges photosensitives Element könnte beispielsweise
ein fotografischer Film sein. Besonders vorteilhaft ist es
jedoch, wenn die Projektionsfläche durch eine photosensitive
Oberfläche einer elektronischen Kamera gebildet ist, da diese
die Auswertung der Abbildung, insbesondere des auf die
Projektionsfläche projizierten Schattenumrisses des Par
tikels, erleichtert.
Hinsichtlich des verwendeten Meßlichtstrahls wurden im Zu
sammenhang mit der Erläuterung der bisherigen Ausführungsbei
spiele keine näheren Angaben gemacht. Beispielsweise wird als
Meßlicht sichtbares Licht im Spektralbereich zwischen unge
fähr 200 nm und ungefähr 800 nm verwendet.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, Infrarotlicht zu ver
wenden, sofern die Absorption des Partikels im Infraroten
bestimmt werden soll.
Ferner kann als Meßlichtquelle eine Lampe verwendet werden.
Aufgrund der vorteilhaften Abbildungseigenschaften von Laser
strahlen ist es jedoch vorteilhafter, als Meßlichtquelle
einen Laser zu verwenden, welcher vorzugsweise mit einer
Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichtes arbeitet. Im
einfachsten Fall ist hierzu ein Helium-Neon-Laser vorgesehen,
der ferner den Vorteil hat, ein über seinem Strahlquerschnitt
im wesentlichen konstantes Intensitätsprofil aufzuweisen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand
der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar
stellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer er
findungsgemäßen Vorrichtung mit geschnittener
Ulbricht-Kugel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Messung der
Intensität des Meßlichtstrahls mit einer Vor
richtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Messung der
Absorption von Meßlicht durch das Partikel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Messung
der ausgeleuchteten Partikelquerschnitts
fläche und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines auf eine
Projektionsfläche projizierten Schattenum
risses des Partikels zur Bestimmung der vom
Meßlichtschal ausgeleuchteten Partikelquer
schnittsfläche.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer Vor
richtung zur Messung der Absorption von beliebig geformten
Partikeln umfaßt ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Kugelge
häuse, welches eine innere kugelförmige Fläche 12 aufweist,
die zur Bildung einer diffus reflektierenden Ulbricht-Kugel
15 mit einer diffus reflektierenden Beschichtung 14 versehen
ist. Die diffus reflektierende Beschichtung 14 besteht dabei
beispielsweise aus einem weißen, diffus reflektierenden Lack,
sofern die Absorption beliebig geformter Partikel von sicht
barem Licht gemessen werden soll oder beispielsweise aus
einer Goldbeschichtung, sofern als Licht längerwelliges
Licht, beispielsweise Infrarotlicht Verwendung findet.
Der Durchmesser der kugelförmigen Fläche 12 beträgt ungefähr
120 mm.
Das Kugelgehäuse 10 umfaßt ferner eine Eintrittsöffnung 16
und eine Austrittsöffnung 18, welche so angeordnet sind, daß
ein Meßlichtstrahl 20 durch die Eintrittsöffnung 16 in einen
von der kugelförmigen Fläche 12 umschlossenen Innenraum 22
der Ulbricht-Kugel 15 eintreten, diesen parallel zu einer
durch einen Mittelpunkt 24 der Ulbricht-Kugel 15 hindurch
verlaufenden Geraden 26 durchsetzen und durch die Austritts
öffnung 18 wieder austreten kann.
Der Meßlichtstrahl 20 ist dabei vorzugsweise ein Laserstrahl,
welcher von einem Laserkopf 28 erzeugt wird.
Symmetrisch zur Geraden 26 und zum Mittelpunkt 24 der
Ulbricht-Kugel 14 ist in dem Innenraum 22 eine Elektrodenan
ordnung 30 vorgesehen, welche zwei symmetrisch zur Geraden 26
und zum Mittelpunkt 24 angeordnete Wechselfeldelektroden 32,
34 umfaßt, und zwei ebenfalls symmetrisch zur Geraden 26 und
zum Mittelpunkt 24 angeordnete Gleichfeldelektroden 36, 38.
Die Elektroden 32 bis 38 sind dabei als Kreisringe ausgebil
det, die alle koaxial zu einer Elektrodenachse 40 angeordnet
sind, wobei die beiden Kreisringe der Wechselfeldelektroden
32, 34 zwischen den Kreisringen der Gleichfeldelektroden 36,
38 liegen und außerdem die Kreisringe der Wechselfeldelektro
den 32, 34 einen Durchmesser aufweisen, der ungefähr das
Doppelte des Durchmessers der Ringe der Gleichfeldelektroden
36, 38 beträgt.
Die beiden Wechselfeldelektroden 32, 34 sind dabei mit einem
Wechselspannungsgenerator 42 verbunden, während die beiden
Gleichfeldelektroden 36, 38 mit einem Gleichspannungsgene
rator 44 verbunden sind.
Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Gleichfeldelektro
den 36, 38 liegt dabei in einem Bereich von größenordnungs
mäßig 400 Volt, während die Wechselspannung in einem Bereich
von ungefähr 3500 bis ungefähr 4500 Volt liegt, wobei die
Frequenz der Wechselspannung größenordnungsmäßg 50 Hz
beträgt.
Die Überlagerung des von den Wechselfeldelektroden 32, 34
erzeugten Wechselfeldes und des von den Gleichfeldelektroden
36, 38 erzeugten Gleichfeldes ergibt im Zentrum der Elek
trodenanordnung 30, vorzugsweise nahe dem Mittelpunkt 24 der
kugelförmigen Fläche 12 ein Potentialminimum für ein elek
trostatisch geladenes Partikel, wobei die Partikelgröße vor
zugsweise zwischen ungefähr 0,1 µm bis ungefähr 500 µm liegt.
Ein derartiges Partikel kann in dem von dem Wechselfeld und
dem Gleichfeld gebildeten Potentialminimum gehalten werden,
wobei das Gleichfeld vorzugsweise ungefähr parallel zur
Gravitationsrichtung verläuft.
Eine genaue Beschreibung des Haltens eines geladenen Par
tikels in dem Potentialminimum und eine Berechnung des Feldes
ergibt sich aus dem Artikel von Davis et al., "The double
ring electrodynamic balance for microparticle characteriza
tion", Rev. Sci. Instruments, April 1990 S. 1281-1288.
Um ferner keinerlei Beeinflussung der diffusen Strahlung im
Innenraum 22 der Ulbricht-Kugel 15 durch die Elektrodenan
ordnung 30 zu erhalten, sind sowohl die Wechselfeldelektroden
32, 34, als auch die Gleichfeldelektroden 36, 38 mit der
selben diffus reflektierenden Beschichtung 14 versehen, wie
die kugelförmige Fläche 12 zur Bildung der Ulbricht-Kugel 15.
Die kugelförmige Fläche 12 ist ferner noch mit einer
Sensoröffnung 46 versehen, welche seitlich der Geraden 26
liegt und gegen direkten Eintritt von im Bereich des Mittel
punkts 24 reflektiertem Licht durch eine Abschirmblende 48
abgeschirmt ist, so daß in die Sensoröffnung 46 lediglich
diffus reflektierte Strahlung eintreten und auf einen Sensor
50 zur Erfassung von deren Intensität auftreffen kann.
Dieser Sensor 50 ist seinerseits mit einer Meßwerterfassungs
einheit 52 verbunden.
Die Austrittsöffnung 18 ist mittels einer Blende 60 ver
schließbar, welche vorzugsweise eine die kugelförmige Fläche
12 im Bereich der Austrittsöffnung 18 ergänzende Oberfläche
62 aufweist, die ebenfalls mit der diffus reflektierenden
Beschichtung 14 versehen ist.
Bei geöffneter Blende 60 tritt der Meßlichtstrahl 20 durch
die Austrittsöffnung 18 aus dem Kugelgehäuse 10 aus und tritt
in eine als Ganzes mit 64 bezeichnete Abbildungsoptik ein,
welche beispielsweise zwei Linsen 66, 68 aufweist, welche so
justiert sind, daß ein im Mittelpunkt 24 angeordnetes Par
tikel auf eine Projektionsfläche 70 vergrößert abgebildet
wird, welche im vorliegenden Fall von einer fotoempfindlichen
Oberfläche einer als Ganzes mit 72 bezeichneten CCD-Kamera
gebildet wird die kombiniert mit einer Auswerteeinheit 74 die
Bestimmung eines Schattenumrisses eines im Mittelpunkt 24
positionierten Partikels in noch später zu beschreibender
Weise erlaubt.
Zur Messung der Lichtabsorption eines Partikels wird eine
Vielzahl von Partikeln beispielsweise durch einen mittels
Reibung elektrostatisch geladenen Stab durch Ladungsüber
tragung aufgeladen, wobei die Partikel dann an dem Stab
haften.
Durch Einführen des Stabes in die Elektrodenanordnung 30 und
leichtes Klopfen lösen sich einige geladene Partikel von dem
Stab und werden dann von dem elektrischen Feld der Elek
trodenanordnung 30 in Schwebe gehalten.
Die Vielzahl der Partikel läßt sich dadurch reduzieren, daß
die Wechselspannung für die Wechselfeldelektroden 32, 34 so
lange variiert wird, bis nur noch ein Partikel in dem elek
trischen Feld der Elektrodenanordnung 30 vorhanden ist.
Dieses einzelne Partikel kann nun durch Variation der Felder
in der Elektrodenanordnung längs der Elektrodenachse 40
definiert und stationär durch entsprechende Einstellung der
elektrischen Felder der Elektrodenanordnung 30 positioniert
werden.
Zur Messung der Intensität des Meßlichtstrahls 20 wird, wie
in Fig. 2 dargestellt, das vereinzelte und im Feld der Elek
trodenanordnung 30 vorhandene Partikel 80 seitlich des Meß
lichtstrahls 20, das heißt oberhalb oder unterhalb desselben,
positioniert, so daß der Meßlichtstrahl 20 die Elektrodenan
ordnung 30 passiert und auf die Oberfläche 62 der Blende 60
trifft, mit welcher die Ulbricht-Kugel 15 verschlossen ist.
Durch Reflexion an der mit der diffus reflektierenden Be
schichtung 14 versehenen Oberfläche 62 der Blende 60 erfolgt
eine diffuse Streuung des Meßlichtstrahls 20 im gesamten
Innenraum 22 der Ulbricht-Kugel 15 durch Mehrfachreflexion an
der mit der diffus reflektierenden Beschichtung 14 versehenen
kugelförmigen Fläche 12, wobei die diffus reflektierte Strah
lung durch die Sensoröffnung 46 hindurchtritt und auf den
Sensor 50 trifft, so daß die Meßwerterfassungseinheit 52
einen Intensitätswert 10 erfaßt, welcher mit der Intensität
des Meßlichtstrahls 20 korreliert ist. In erster Näherung ist
der Intensitätswert I0 proportional zur Intensität des Meß
lichtstrahls 20.
Ohne Veränderung der relativen Lage zwischen dem Meßlicht
strahl 20 und der Ulbricht-Kugel 15 wird nun, wie in Fig. 3
dargestellt, das einzelne Partikel 80 innerhalb eines
Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls 20 positioniert,
welcher beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 1 mm
aufweist, wobei das Partikel 80 - wie bereits angegeben -
eine Größe zwischen ungefähr 0,1 µm und ungefähr 500 µm
aufweist.
In diesem Fall ist die Ulbricht-Kugel 15 ebenfalls durch die
Blende 60 verschlossen, wobei allerdings das einzelne Par
tikel 80, welches vorzugsweise nahe des Mittelpunkts 24 der
Ulbricht-Kugel 15 positioniert ist, Meßlicht des Meßlicht
strahls 20 absorbiert und reflektiert und nur der nicht auf
das Partikel 80 auftreffende Teil des Meßlichtstrahls 20 an
der Oberfläche 62 der Blende 60 reflektiert wird.
Die diffus reflektierte Strahlung im Innenraum 22 der
Ulbricht-Kugel 15 hat dann, wenn das Partikel 80 Meßlicht ab
sorbiert und wieder emittiert eine geänderte, vorzugsweise
geringere Intensität, so daß mit der Meßwerterfassungseinheit
52 ein geringerer Intensitätswert IA erfaßt wird.
Zur Erfassung der exakten Position des Partikels 80 im Meß
lichtstrahl 20 und zur Erfassung der vom Meßlichtstrahl ange
strahlten Querschnittsfläche des Partikels 80 wird, wie in
Fig. 4 dargestellt, die Blende 60 entfernt, so daß der
Meßlichtstrahl 20 durch die Austrittsöffnung 18 hindurch
austritt und die Abbildungsoptik 64 den Schattenumriß des im
Meßlichtstrahl 20 enthaltenen Partikels 80 auf die
Projektionsfläche 70 abbildet, wobei, wie in Fig. 5
dargestellt, auf der Projektionsfläche 70 ein innerer
abgeschatteter Bereich 82 zu sehen ist, welcher bis zu einer
Schattenumrißlinie 84 reicht und außerhalb der
Schattenumrißlinie 84 ein ausgeleuchteter Bereich 86 er
kennbar ist, welcher bis zu einer äußeren Begrenzungslinie 88
reicht, welche der äußeren Begrenzung des Strahlquerschnitts
des Meßlichtstrahls 20 entspricht und die Bestimmung der
Strahlquerschnittsfläche erlaubt.
Vorzugsweise wird dabei das einzelne Partikel 80 stets so
positioniert, daß der ausgeleuchtete Bereich 86 noch das Par
tikel 80 vollständig umgibt, das heißt, daß das Partikel 80
über seine gesamte, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des
Meßlichtstrahls 20 verlaufende Partikelquerschnittsfläche vom
Meßlichtstrahl 20 ausgeleuchtet ist.
Aus der auf der Projektionsfläche 70 entstehenden Schatten
umrißlinie 84, die vorzugsweise mittels der CCD-Kamera 72 und
der Auswerteeinheit 74 erfaßt wird, läßt sich in einfacher
Weise die in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Meßlichtstrahls 20 ausgeleuchtete Partikelquerschnitts
fläche des Partikels 80 errechnen.
Für die Berechnung des Absorptionsgrades des Partikels 80 ist
es ferner noch maßgebend, wie die Intensitätsverteilung
innerhalb der äußeren Begrenzungslinie 88 des Meßlichtstrahls
20 ausgebildet ist. Diese läßt sich mit einem üblichen, für
Laserstrahlen verwendeten Meßgerät erfassen. Im einfachsten
Fall wird ein Laserstrahl verwendet, welcher innerhalb der
äußeren Begrenzungslinie 88 einen im wesentlichen homogene
Intensitätsverteilung aufweist, so daß die relative Lage der
Schattenumrißlinie 84 zur äußeren Begrenzungslinie 88 nicht
zusätzlich bei der Berechnung des Absorptionsgrades berück
sichtigt werden muß.
Aus der Differenz der gemessenen Intensität I0-IA, und der
vom Meßlichtstrahl 20 ausgeleuchteten Querschnittsfläche
innerhalb der Schattenumrißlinie 84 des Partikels 80 läßt
sich der Absorptionsgrad des Partikels errechnen und davon
ausgehend auch der Albedo- und der Emissionsgrad dieses
Partikels 80, wobei folgende Beziehung Verwendung findet:
Wobei
Abs = Absortionsgrad (0 ≦ Abs ≦ 1)
I0 = Gesamtintensität des Meßlichtstrahls
IA = Intensität der partikelbeeinflußten Diffusen Strahlung
P(A) = Intensität des Meßlichtstrahls im jewei ligen Flächenelement
∫ P(A)dA Meßlichtstrahl = Integral der Intensität des Meßlichtstrahls über die Fläche des Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls
∫ P(A)dA Partikelquerschnittsfl. = Integral der Intensität des Meßlicht strahls über die Partikelquerschnitts fläche
Abs = Absortionsgrad (0 ≦ Abs ≦ 1)
I0 = Gesamtintensität des Meßlichtstrahls
IA = Intensität der partikelbeeinflußten Diffusen Strahlung
P(A) = Intensität des Meßlichtstrahls im jewei ligen Flächenelement
∫ P(A)dA Meßlichtstrahl = Integral der Intensität des Meßlichtstrahls über die Fläche des Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls
∫ P(A)dA Partikelquerschnittsfl. = Integral der Intensität des Meßlicht strahls über die Partikelquerschnitts fläche
Im einfachsten Fall ergibt die obengenannte Beziehung für
kugelförmige Partikel
wobei
rp = Partikelradius
W = Strahlradius
rp = Partikelradius
W = Strahlradius
Claims (25)
1. Verfahren zur Bestimmung der Licht-Absorption eines
beliebig geformten Partikels,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
Partikel elektrostatisch geladen und mittels eines elek
trischen Feldes in einer Ulbricht-Kugel berührungsfrei
positioniert wird, daß das so positionierte Partikel mit
einem Meßlichtstrahl mit definiertem Strahlquerschnitt
und definierter Intensitätsverteilung über diesem ange
strahlt wird, daß mittels eines Sensors die Intensität
der partikelbeeinflußten diffusen Strahlung in der
Ulbricht-Kugel gemessen wird, daß die vom Meßlichtstrahl
ausgeleuchtete Partikelquerschnittsfläche bestimmt wird
und daß aus der Intensität des Meßlichtstrahls, der
Intensität der partikelbeeinflußten diffusen Strahlung
sowie der vom Meßlichtstrahl ausgeleuchteten Partikel
querschnittsfläche die Licht-Absorption ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Partikel mittels eines elektrischen Gleich- und
eines elektrischen Wechselfeldes berührungsfrei posi
tioniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Intensität des Meßlichtstrahls durch Ein
strahlung in die Ulbricht-Kugel ohne Anstrahlen des Par
tikels und Messung der Intensität der diffusen Strahlung
in der Ulbricht-Kugel bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung der Intensität des Meßlichtstrahls dieser
auf einen diffus reflektierenden Wandbereich der
Ulbricht-Kugel gerichtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich
net, daß zum Bestimmen der Intensität des Meßlicht
strahls das Partikel neben dem Meßlichtstrahl posi
tioniert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung der Intensität der diffusen partikelbe
einflußten Strahlung in der Ulbricht-Kugel der Meßlicht
strahl und die Ulbricht-Kugel unverändert zueinander
positioniert bleiben.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung über
der Querschnittsfläche des Meßlichtstrahls ermittelt
wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß ein Meßlichtstrahl mit einer
über seiner Querschnittsfläche im wesentlichen homogenen
Intensitätsverteilung verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die vom Meßlichtstrahl ausge
leuchtete Partikelquerschnittsfläche durch Projektion
eines Schattenumrisses des im Meßlichtstrahl positio
nierten Partikels in Ausbreitungsrichtung des Meßlicht
strahls auf eine Projektionsfläche ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Projektionsfläche außerhalb der Ulbricht-Kugel
angeordnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schattenumriß des Partikels durch eine Projektions
optik vergrößert auf der Projektionsfläche abgebildet
wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Projektionsfläche durch eine Oberfläche
eines photosensitiven Speicherelements gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Projektionsfläche durch eine Oberfläche einer elek
tronischen Bilderfassungseinheit gebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Messung der vom Meßlichtstrahl
ausgeleuchteten Partikelquerschnittsfläche der Meßlicht
strahl und das Partikel in derselben Position relativ
zueinander stehen wie bei der Messung der Intensität der
diffusen partikelbeeinflußten Strahlung in der Ulbricht-
Kugel.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Partikel zur Messung der
Intensität der diffusen Strahlung in der Ulbricht-Kugel
bei angestrahltem Partikel als Ganzes innerhalb des
Strahlquerschnitts des Meßlichtstrahls positioniert
wird.
16. Vorrichtung zur Bestimmung der Licht-Absorption von be
liebig geformten Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß
diese eine Elektrodenanordnung (30) zur berührungsfreien
Positionierung eines elektrostatisch geladenen Partikels
(80) aufweist, daß die Elektrodenanordnung (30) von
einer Ulbricht-Kugel (15) umgeben ist, daß die Ulbricht-
Kugel (15) mit einem Sensor (50) zur Messung der diffus
reflektierten
Strahlung in der Ulbricht-Kugel (15) versehen ist und
daß die Ulbricht-Kugel (15) eine Eintrittsöffnung (16)
für einen Meßlichtstrahl (20) zum Anstrahlen des von der
Elektrodenanordnung (30) gehaltenen Partikels (80) auf
weist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrodenanordnung (30) zwei Elektroden (36,
38) zur Erzeugung eines elektrischen Gleichfeldes auf
weist und daß die Elektrodenanordnung (30) zwei Elek
troden (32, 34) zur Erzeugung eines elektrischen
Wechselfeldes aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (32, 34) für das Wechselfeld und die
Elektroden (36, 38) für das Gleichfeld voneinander
getrennt angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wechselfeldelektroden (32, 34) zwischen den
Gleichfeldelektroden (36, 38) liegen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wechselfeldelektroden (32, 34) einen
größeren Durchmesser als die Gleichfeldelektroden (36,
38) aufweisen.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden der Elektrodenan
ordnung (30) mit der selben diffus reflektierenden
Beschichtung (14) versehen sind wie die Ulbricht-Kugel.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (50) mit einer direkt von
dem Partikel (80) reflektiertes Meßlicht abschattenden
Blende (48) für den Sensor (50) versehen ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ulbricht-Kugel (15) mit einer
der Eintrittsöffnung (16) für den Meßlichtstrahl (20)
gegenüberliegenden und verschließbaren Austrittsöffnung
(18) versehen ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß der aus der Austrittsöffnung (18) austretende Meß
lichtstrahl (20) mittels einer Projektionsoptik (64) auf
eine Projektionsfläche (70) abbildbar ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Projektionsfläche (70) durch eine Oberfläche
eines photosensitiven Elements (72) gebildet ist.
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---|---|---|---|---|
DE2204079B2 (de) * | 1972-01-28 | 1975-09-18 | Sartorius-Membranfilter Gmbh, 3400 Goettingen | Vorrichtung zum Klassifizieren von in einem strömungsfähigen Medium suspendierter Teilchen |
DE3605436A1 (de) * | 1985-03-15 | 1986-11-27 | Schweizerische Aluminium Ag, Chippis | Verfahren zum bestimmen der dicke von transparenten lackschichten und vorrichtung zu dessen ausfuehrung |
Family Cites Families (1)
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---|---|---|---|---|
AT376301B (de) * | 1982-05-06 | 1984-11-12 | List Hans | Verfahren zur kontinuierlichen messung der masse von aeorosolteilchen in gasfoermigen proben sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
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1996
- 1996-03-16 DE DE19610438A patent/DE19610438C2/de not_active Expired - Fee Related
- 1996-03-16 DE DE19610439A patent/DE19610439C2/de not_active Expired - Fee Related
- 1996-04-19 GB GBGB9608197.1A patent/GB9608197D0/en active Pending
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Title |
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DAVIS, E.J., BUEHLER,M.F., WARD,T.L.: "The double-ring electrodynamic balance for microparticle-cha-racterization" in: Rev.Sci.Instrum., Vol. 61/No.4,(1990), S. 1281-1288 * |
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GB9608197D0 (en) | 1996-06-26 |
DE19610439A1 (de) | 1996-11-14 |
DE19610439C2 (de) | 1998-11-26 |
DE19610438A1 (de) | 1996-10-31 |
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