DE19724364C2

DE19724364C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Partikelgrößen und Partikelgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE19724364C2
Application number: DE19724364A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Loeffler-Mang
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: EP0887636A1; DE19724364A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Parti kelgrößen und Partikelgeschwindigkeiten, wie es aus der US 5,426,502 bekannt ist und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Partikelgrößen und Partikelgeschwindigkeiten, wie sie aus der DE 42 11 003 A1 bekannt ist.

Im Bereich der Partikelmeßtechnik ist die Bestimmung von Par tikeldurchmesser und -geschwindigkeit simultan an Einzelteil chen wichtig. Im Vordergrund stehen Untersuchungen an Regen tropfen mit ihren typischen Größen und Geschwindigkeiten. Die Kenntnis dieser Tropfenspektren ist von Bedeutung bei der Aus wertung der Daten von Niederschlags-Radargeräten.

Die verbreitete Standardmethode zur Bestimmung der Regentrop fenspektren ist das Disdrometer nach Joss und Waldvogel (1967): Ein Spektrograph für Niederschlagstropfen mit automa tischer Auswertung. PAGEOPH 68, 240-246. Hierbei wird der Im puls von Tropfen, die auf einen Styroporkörper auftreffen, elektromechanisch umgesetzt und mittels einer empirischen Be ziehung zwischen Tropfengröße und -geschwindigkeit in das Größenspektrum umgerechnet.

Es kann jedoch keine Geschwindigkeitsbestimmung vorgenommen werden. Damit bleiben die Anwendungen zunächst auf Regentrop fen beschränkt. Für die Bestimmung von integralen Größen (z. B. Regenrate) müssen zusätzliche Annahmen getroffen werden. Ebenfalls ist das Gerät nicht in der Lage, Tropfen mit Durch messern unterhalb 0.35 mm zu messen; die untere Grenze für Re gentropfen liegt aber eher bei 0,1 mm Durchmesser. Und schließlich ist das Gerät von seinen Abmessungen nicht ge eignet zum nachträglichen Einbau in vorhandene Regenmesser.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich tung der e. g. Art so auszugestalten, daß auch Teilchen mit einem Durchmesser kleiner als 0,35 mm gemessen werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprü che 1 und 3. Der Unteranspruch beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

Die Erfindung zeichnet sich durch folgende besondere Vorteile aus:

a) Durch die simultane Messung von Partikeldurchmesser und -geschwindigkeit eröffnen sich eine Reihe von neuen Möglich keiten:
- 1. durch Plausibilitätsbetrachtungen können Randeffekte, Mehr fachtropfen und Fehlmessungen korrigiert werden; dabei wird ausgenutzt, daß Größe und Geschwindigkeit in den meisten Anwendungen nicht unabhängig voneinander beliebige Werte annehmen. Ein Tropfen, der nicht frei fällt, sondern am Ge häuse abläuft, hat z. B. eine viel zu geringe Geschwindig keit und kann aussortiert werden; oder große, schnelle Par tikeln, die nur noch den Rand des Lichtbandes streifen, werden als zu klein für ihre Geschwindigkeit detektiert und können korrigiert werden.
- 2. Regenmessungen können ohne zusätzliche Annahmen ausgewertet werden, es wird keine (teilweise unsichere) empirische Be ziehung zwischen Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit benötigt.
- 3. Es werden neue Anwendungsbereiche erschlossen.
b) Durch Anpassung der Lichtbandgeometrie sind Regentropfen bereits ab einem Durchmesser von 0.1 mm detektierbar.
c) Die kompakte Bauweise des Meßkopfes erlaubt die Integra tion des Tropfen-spektrometers in Standardregenmessern. Damit ist z. B. auch die nachträgliche Ausrüstung von bestehenden Meßnetzen mit geringem Aufwand möglich.

Neben weiteren meteorologischen sind aber auch technische An wendungen denkbar, wie z. B. die Überprüfung der Sprüheigen schaften von Sprinklerdüsen und damit eine Qualitätskontrolle bei der Fertigung oder die Bestimmung der Agglomeratgröße und -geschwindigkeit von Kaffee und Zucker bei der Produktion von Instantgetränken. Prinzipiell können Partikeln verschiedenster Art gemessen werden, solange die Form einigermaßen kompakt ist (z. B. auch Kalkstein oder Grieß). Für nadelförmige Gebilde wird das Ergebnis eher zufällig und die Interpretation der Meßwerte schwierig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert.

Dabei zeigt die Fig. 1 das Schema einer Vorrichtung in Längs- und Querschnitt,

die Fig. 2 das Erscheinungsbild von zwei unterschiedlich großen Tropfen im Zeit-Intensitätsdiagramm und die

Fig. 3 eine Möglichkeit zur Erzeugung eines homogen ausge leuchteten quaderförmigen Raumes.

Der untere Teil der Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das doppelwandige Gehäuse eines Standardregenmessers, wobei zwi schen den beiden konzentrischen Wänden die optischen Bauteile 8 und 9, zur Erzeugung des ausgeleuchteten Messraums 3 und zur Abbildung des Lichts der Lichtquelle 1 auf den Detektor 2, mit Hilfe der Halterungen 11 angebracht sind.

Bei dem darüber dargestellten Längsschnitt ist die äußere Wand des doppelwandigen Gehäuses der Einfachheit halber weggelas sen. Zwischen den beiden Wänden, gehaltert mit Hilfe der Hal terungen 11, sind die optischen Bauteile 8 und 9 dargestellt, wobei die Strahlung innerhalb der Doppelwand senkrecht ver läuft und mit Hilfe der beiden Umlenkspiegel 10 in die Waag rechte umgelenkt wird. Das Licht tritt durch zwei mit Blenden versehene Öffnungen in das Innere des Gefäßes und bildet dort den Messraum 3, dessen Länge sich über die ganze lichte Weite des Gefäßes erstreckt. Breite und Dicke des Messraums 3 werden jeweils an das Messproblem angepaßt.

Fallen Partikeln durch das horizontale Lichtband, dann schwä chen sie das auf eine Photodiode gebündelte Licht am Ende des Lichtbandes ab (Extinktion). Die Stärke der Abschwächung ist ein Maß für den Partikeldurchmesser, die Dauer der Ab schwächung ein Maß für die Partikelgeschwindigkeit. Entschei dend für die Auswertbarkeit ist die Geometrie des Lichtbandes, deshalb wurde ein paralleles Band mit rechteckigem Querschnitt gewählt. Ein solches Band kann mit Zylinderoptiken erzeugt werden, Ruck (1990) (Hrsg.) (1990): Lasermethoden in der Strö mungsmeßtechnik. AT-Fachverlag GmbH, Stuttgart, nennt dafür verschiedene optische Anordnungen.

Die Dimensionierung des Lichtbandes hängt von der gewünschten Anwendung ab. Die Breite b wird jeweils ein Vielfaches der Dicke x betragen (Faktor 5 bis 20). Im einzelnen bestimmen die erwarteten Partikeldurchmesser (D) und -geschwindigkeiten (v) die Abmessungen. Für drei Anwendungsbeispiele sind Anhalts werte für b und x angegeben:

a) Regen: b = 30 mm, x = 3mm;
b) Schnee: b = 60 mm, x = 3 mm (D groß, v klein);
c) Sprinkler: b = 10 mm, x = 2 mm (D klein, v groß).

Das Tropfenspektrometer besteht insgesamt aus drei funktiona len Komponenten, die teilweise aber in ein Gehäuse integriert werden können. Das oben beschriebene Lichtband befindet sich im Meßkopf, der durch den gefalteten Strahlengang (zwei Um lenkspiegel) geeignet ist zur nachträglichen Ausrüstung von Standardregenmessern.

Die Fig. 2 zeigt oben zwei unerschiedlich große Tropfen in verschiedenen vertikalen Positionen im Messraum 3. Der Mittel teil der Fig. 2 zeigt den diesen Positionen zugeordneten zeit lichen Verlauf des Detektorsignals. Der untere Teil zeigt das von der Auswerteeinheit (hier nicht dargestellt) bearbeitete Detektorsignal.

Beim Durchtritt von Partikeln durch das Lichtband entstehen Spannungssignale, wobei zwei Fälle unterschieden werden kön nen: Partikeln kleiner als Lichtbanddicke (Signal mit Pla teau), Partikeln größer als Lichtbanddicke (Signal ohne Pla teau). Zur weiteren Verarbeitung wird das Signal aufbereitet: Abtrennung des Gleichspannungspegels, Invertierung, Verstär kung, Filterung. Dann wird mit hoher Frequenz (100 kHz) digi talisiert. Schließlich wird eine Spitzenwerterkennung als Maß für den Partikeldurchmesser (U1 und U2) durchgeführt, das Zeitintervall von Signalanfang bis Signalende (t1) erfaßt (für die Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit aus diesem Zeitin tervall muß der Partikeldurchmesser bekannt sein, da der Weg der Lichtbanddicke plus dem Teilchendurchmesser entspricht) und abschließend die Zeit seit der vorangegangenen Partikel für einen exakten Zeitbezug (tz) registriert. Diese Wertetri pel werden abgespeichert und können zur Berechnung von Vertei lungen und integralen Größen verwendet werden.

Beim optischen Aufbau von Fig. 3 wird das Licht der Licht quelle 1 mit einer sphärischen Linse 4 in ein Parallelbündel umgewandelt und mit einem Teleskop aus zwei Zylinderlinsen 5, 6 zu Messraum 3 aufgeweitet und anschließend mit einer Linse 7 auf den Detektor 2 abgebildet. Die Umlenkspiegel sind hier nicht dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Partikelgrößen und Partikelge schwindigkeiten mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Erzeugung eines Lichtbandes als Messraum (3) mit rechteckigem Querschnitt, wobei der Messraum so dimen sioniert ist, daß sich im Mittel immer nur ein Teilchen im Messraum befindet.
b) Erfassen der Intensität des Lichtes, welches den Messraum verläßt mit einem Detektor (2),
c) Aufzeichnen des zeitlichen Verlaufs des Detektoraus gangssignals und
d) Ermitteln der Teilchengröße aus der Höhe der Änderung des Detektorausgangssignals,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Teilchengeschwindigkeit aus der Dauer der Änderung des Detektorausgangssignals ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln deren Größe und Geschwindigkeit ermittelt werden Regentropfen sind.

3. Vorrichtung zur Ermittlung von Partikelgrößen und Partikel geschwindigkeiten bestehend aus:

a) einer Lichtquelle (1), optischen Bauteilen (8, 9) und einem Detektor (2), wobei das Licht der Lichtquelle (1) mit Hilfe der optischen Bauteile (8, 9) auf den Detektor (2) abgebildet und derart geformt wird, daß es ein qua derförmiges Volumen (3) durchstrahlt und
b) einer Auswerteeinheit zur Auswertung des Detektor signals,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Vorrichtung in einem oben offenen Gefäß derart ge haltert ist, daß das quaderförmig durchstrahlte Volumen (3) mindestens einen Teil der lichten Öffnung des Ge fäßes einnimmt,
b) das Gefäß ein Behälter ist, wie er üblicherweise zur Be stimmung der Regenmenge eingesetzt wird, und
c) die optischen Bauteile (8, 9) so angeordnet sind, daß der Lichtstrahl im Bereich der optischen Bauteile in Richtung senkrecht zur Gefäßöffnung verläuft und daß der Lichtstrahl mit Hilfe von Umlenkspiegeln (10) im Bereich des quaderförmig durchstrahlten Volumens (3) parallel zur Öffnung des Gefäßes geführt wird.