DE19736172B4

DE19736172B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Teilchen

Info

Publication number: DE19736172B4
Application number: DE19736172A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr.-Ing. Umhauer
Original assignee: Palas GmbH Partikel und Lasermesstechnik
Current assignee: Palas GmbH Partikel und Lasermesstechnik
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: CH693829A5; GB2328505A; GB9814896D0; GB2328505B; DE19736172A1

Abstract

Verfahren zur Analyse von in einem strömenden Fluid dispergierten Teilchen, wobei die Teilchen in einem optisch abgegrenzten Messvolumen mit über dessen Höhe in Strömungsrichtung hin unterschiedlichem Querschnitt detektiert werden und nur Teilchen zur Auswertung zugelassen werden, deren gemessene Laufzeit eine vorgegebene Signalmindestdauer überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen des Messvolumens nicht eben sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von in einem strömenden Fluid dispergierten Teilchen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 11.
Streulicht-Partikelzähler werden sowohl zur Mengenwie zur Größenbestimmung von Aerosolpartikeln eingesetzt. Charakteristisch für alle Streulicht-Partikelzähler ist die Abgrenzung eines hinreichend kleinen Meßvolumens, durch das sich die Partikeln einzeln zur Zählung und Größenbestimmung hindurch bewegen.

Die EP 0 549 417 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von in einem strömenden Fluid dispergierten Teilchen, bei dem bzw. durch die die Teilchen in einem optisch abgegrenzten Messvolumen mit kreis- oder elliypsenartigem Querschnitt detektiert werden. Um eine automatisierbare, synchrone Bewegung sowohl einer Anzahl das Messvolumen beleuchtenden Laserquellen als auch eines zu Auswertezwecken dienenden Fotodetektors zu ermöglichen, schlägt die EP 0 549 417 A1 die Verwendung be stimmter reduzierter Zählraten sowie eine Abfolge spiralartiger Bewegungen des Fotodetektors zwecks automatischer Fokussierung vor.

Soll direkt in der vorgegebenen Aerosolströmung gemessen werden (soweit dies die Bedingungen überhaupt zulassen), so ist die Abgrenzung des Meßvolumens mit optischen Mitteln vorzunehmen. Bislang geschieht dies durch Abbildung von Blenden mittels zweier optischer Teilsysteme in 90°-Anordnung (Umhauer, H.: Particle Size Distribution Analysis by Scattered Light Measurements Using an Optically Defined Measuring Volume, in J. Aerosol Sci., Vol. 14 No. 6, pp 765-770, 1983). Die Blenden besitzen z.B. eine rechteckige Öffnung, so daß innerhalb eines gewissen Schärfentiefenbereiches der Abbildung ein quaderförmiges Meßvolumen definiert ist. Dieses wird von dem einen der beiden Teilsysteme zudem beleuchtet, mit dem anderen wird das von den Partikeln gestreute Licht gemessen. Notwendigerweise entsteht bei dieser Art von Meßvolumenabgrenzung ein charakteristischer Fehler dadurch, daß es immer einen gewissen Anteil von Partikeln gibt, die sich durch die Randbereiche des Meßvolumens bewegen, oder anders ausgedrückt, von den Rändern "angeschnitten werden".

Neben rechnerischer Korrektur besteht die Möglichkeit, dem sogenannten Randzonenfehler zu begegnen, indem apparative und signalverarbeitungstechnische Maßnahmen getroffen werden, mit welchen der Fehler von vornherein vermieden, d.h. schon während des Meßvorgangs eliminiert wird. So kann der Fehler nach der genannten Literaturstelle durch eine Doppelmessung mit zwei unterschiedli chen Detektorblenden und Vergleich der Impulshöhen ausgeschaltet werden.

Aus der Veröffentlichung Umhauer und Berbner, Optical In-Situ Analysis of Particles Dispersed in Gases at Temperatures of up to 1000 °C, 6th European Symposium Particle Characterization, Nürnberg, Germany, 11.-23. März 1995, Preprint, S. 327 ff, wobei dieser Artikel vollinhaltlich zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird, sind ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt. Durch das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung werden Meßfehler vermieden, wie sie bei rein mechanisch-optisch bestimmten Meßvolumen, wie sie vorher üblich waren, dann auftreten, wenn Teilchen im Randbereich des derart bestimmten Meßvolumens entlangströmen und vom Beleuchtungslicht nur teilweise beleuchtet werden; sie streuen daher eine geringere Lichtmenge auf den Detektor, als es der Fall wäre, wenn sie voll beleuchtet würden, und täuschen daher eine geringere Teilchengröße vor, als sie ihrer tatsächlichen Größe entspricht; hierzu kann die Messung und insbesondere die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung beeinträchtigt werden. Derartige Fehler werden durch das optisch-elektronisch definierte Meßvolumen nach der genannten Druckschrift ausgeschlossen, wobei bei der Auswertung nur Teilchen berücksichtigt werden, deren Laufzeit eine einen Meßvolumenquerschnitt definierende vorgegebene Signalmindestdauer überschreitet. Hiermit sind nur Teilchenströme mit konstanter Geschwindigkeit meßbar, oder aber es ist die Teilchengeschwindigkeit über eine hinreichend große Meßzeit durch Mittelwertberechnung kontinuierlich zu bestimmen und rechnerisch die genannte Signalmindestdauer so zu korrigieren, daß der Meßvolumenquerschnitt konstant bleibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile auch bei variabler Partikelgeschwindigkeit automatisch eine korrekte Messung erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche weiterhin die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 11 aufweisen.

Gemäß bevorzugter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Begrenzungsflächen eine sich stetig verändernde Konkavität aufweisen und daß das optisch abgegrenzte Meßvolumen hyperbolische Begrenzungsflächen aufweist, wobei insbesondere das optisch abgegrenzte Meßvolumen symmetrisch ausgebildet ist.

Die genannten Meßvolumen können in bevorzugter Ausgestaltung dadurch geschaffen werden, daß die Teilchen mittels Blendenöffnungen beleuchtet und detektiert werden, die stetig konkav ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen, bzw. dadurch, daß die Teilchen mittels Blendenöffnungen beleuchtet und detektiert werden, die hyperbelartig ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen, wobei in Weiterbildung insbesondere-vorgesehen ist, daß die Blendenöffnungen im Beleuchtungs- und Detektionsweg gleich ausgebildet sind.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Teilchen mit sich verändernder Teilchengeschwindigkeit gemessen werden, deren Laufdauern im Meßvolumen von der gewählten Signalmindestdauer in gewisser Weise abweichen. Um größere Veränderungen der Teilchengeschwindigkeit zu berücksichtigen, ist in bevorzugter Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, daß bei sich verändernder Geschwindigkeit der Teilchen und damit maximaler Signaldauer der von den Teilchen bewirkten Signale die Signalmindestdauer angepaßt wird, wobei insbesondere eine Anpassung vorgenommen wird, wenn sich bei Änderung der Geschwindigkeit die maximale Signaldauer der von den Teilchen bewirkten Signale bis auf das 1,1-fache der aktuellen (vorgegebenen) Signalmindestdauer an diese angenähert bzw. sich auf das 3,8-fache von ihr entfernt hat. Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, daß das optisch abgegrenzte Meßvolumen hyperbolische Begrenzungsflächen aufweist und daß das optisch abgegrenzte Meßvolumen symmetrisch ausgebildet ist. Zur Schaffung eines entsprechenden optisch abgegrenzten Meßvolumens sehen in bevorzugter Ausgestaltung die Beleuchtungs- und Detektionseinrichtungen vor, daß Begrenzungskanten von Blendenöffnungen der Detektions- und Beleuchtungseinrichtung stetig konkav ausgebildet sind bzw. Begrenzungskanten von Blendenöffnungen der Detektion- und Beleuchtungseinrichtung hyperbelartig ausgebildet sind. In Weiterbildung kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Blendenöffnungen der Detektions- und Beleuchtungseinrichtung strukturell gleich ausgebildet sind.

Durch die Erfindung wird ein primäres mechanisch-optisch abgegrenztes Meßvolumen durch Beleuchtung und Detektionsblenden gebildet, das in einer Pyramide bzw. einem Pyramidenstumpf einbeschrieben ist, aber konkave bzw. hyperbolische Begrenzungsflächen aufweist, die durch konkave bzw. insbesondere hyperbelartige Kanten zwischen Basis und Spitze (der Pyramide) gebildet sind. Hierdurch wird erreicht, daß das durch die Signalmindestdauer bestimmte optisch-elektronische sekundäre oder wirksame Meßvolumen der tatsächlich zur Auswertung zugelassenen Teilchen gleich bleibt, unabhängig davon, welche minimale Meßzeit zugelassen wird. In bevorzugter Ausgestaltung wird ein Meßvolumen gebildet, das in einem Oktaeder einbeschrieben ist und das konkave, insbesondere hyperbolische Begrenzungsflächen jeweils zwischen Mittelebene und den Spitzen des Oktaeders aufweist, die durch Blenden mit konkaven bzw. insbesondere hyperbelartigen Begrenzungskanten geschaffen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können insbesondere zur Analyse von in einem Gas strömendem Feststoff, aber auch von in einem Gas strömenden Flüssigkeitsteilchen eingesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, in einer Flüssigkeit strömende Feststoffteilchen oder aber auch in einer Flüssigkeit strömende Flüssigkeitsteilchen einer anderen Flüssigkeit zu bestimmen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung der Abbildung von erfindungsgemäßen Beleuchtungs- und Detektionsblendenöffnungen in den Teilchenstrom;
3 das erfindungsgemäß im Teilchenstrom optisch abgegrenzte primäre Meßvolumen in einer bevorzugten Ausgestaltung;
4a den Verlauf der hyperbolischen Begrenzungsflächen des bevorzugten Meßvolumens gemäß 3;
4b eine Draufsicht auf das Meßvolumen gemäß 3 in Strömungsrichtung der Teilchen;
5 einen Geschwindigkeitsverlauf der gemessenen Teilchen über die Zeit mit Fluktuationen;
6 eine Häufigkeitsverteilung von Signaldauern;
7a-c drei mögliche Ausgestaltungen von Blendenöffnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der 1 weist ein Rohr 2 auf, welches eine Fluidströmung mit in dieser dispergierten Teilchen enthält, wie eine Gasströmung mit Feststoffteilchen. In Wandungen des Rohres 2 sind Fenster 3, 4 vorgesehen, durch welche die Gasströmung beleuchtet und betrachtet werden kann. Eine Beleuchtungseinrichtung 6 weist eine Lichtquelle 7, vorzugsweise eine Quelle weißen Lichtes, ein Kondensorsystem 8 und eine Beleuchtungsblendenöffnung 9 sowie achromatische Linsen 11 auf. Es ist weiterhin ein optisches Filter 12 vorgesehen. Eine Detektionseinrichtug 13 weist ebenfalls im Fenster 3 des Rohres 2 ein Filter 14, ein Umlenkprisma 15, Linsen 16, eine – weitere – Detektionsblendenöffnung 17, einen Kondensor 18 und einen Detektor 19, wie insbesondere einen Fotomultiplier, auf. An den Detektor 19 schließt sich eine Auswerteeinheit 21 an, die insbesondere eine Zeitmeßeinrichtung aufweist.
Die 2 zeigt in schematischer Darstellung die Abbildung der Blenden 9, 17 in den Teilchenstrom mit der Strömungsrichtung S. Hieraus. ist daher auch die Form der Blendenöffnungen 9, 17 dieser Ausführungsform entnehmbar. Die Blendenöffnungen 9, 17 weisen stetig verlaufende, sich konkav, insbesondere hyperbelartig erweiternde Kanten 22 auf. Wie den 3 und 4b zu entnehmen ist, wird durch die beiden Blenden 9, 17 ein primäres optisches Meßvolumen gebildet, das in einem parallel zur Strömungsrichtung S ausgerichteten Pyramidenstumpf einbeschrieben ist, dessen Basis senkrecht zur Strömungsrichtung S steht, wobei die Begrenzungsflächen 15 des so gebildeten primären Meßvolumens innerhalb des Pyramidenstumpfes stetig konkav verlaufen, wie in entsprechender Weise auch die Begrenzungskanten 22 konkav zurückversetzt gegenüber den Kanten des umgebenden Pyramidenstumpfes ausgebildet sind. Die Kanten 22 sind insbesondere als Hyperbeln, die Begrenzungsflächen hyperbolisch ausgebildet.
Damit gilt für den Verlauf h der Mantelflächen 15 des optisch abgegrenzten Meßvolumens V_M in Abhängigkeit von dem radialen Abstand s derselben bzw. dem Querschnitt A_M bei der entsprechenden Höhe: h ~ 1/(s)² ~ 1/AM, und somit wird, wenn h* die zur Signalmindestdauer τ* gehörende Flugstrecke ist, h*⋅A_M = konstant = V*⋅τ*, wobei V der Volumenstrom des Fluids ist.
Durch die vorgenannte erfindungsgemäße Wahl der geometrischen Gestalt des optisch begrenzten Meßvolumens V_M mit hyperbolischen Begrenzungsflächen bzw. der dieses Meßvolumen bildenden Blendenöffnungen mit hyperbelartigen Begrenzungskanten bleibt bei Vorgabe einer festen Signalmindestdauer τ* der Volumenstrom V*_M innerhalb des so gebildeten tatsächlichen Meßvolumens auch. bei Variation der Geschwindigkeit der Teilchen stets konstant. Unter diesen Bedingungen ist die aus einer innerhalb einer Meßzeit t_M nachgewiesenen Teilchenzahl N resultierende Zählrate Z = N/t_M allein das Maß für die Konzentration C_N = Z/V*_M. Die Geschwindigkeit darf sich innerhalb gewisser Grenzen damit beliebig ändern. Für den Volumenstrom gilt: V*M = v⋅4(s*)2 = 4 h*/τ*(s*)2 , wobei 4(s*)² = AM den (quadratische) maximale Meßvolumenquerschnitt, dessen aktueller Wert sich verändern kann, h* die zu s* gehörende, aktuelle äußere Meßvolumenhöhe, v die Geschwindigkeit der Teilchen und τ* die fest vorgegebene Signalmindestdauer bezeichnet. Die Signalmindestdauer τ* besagt, daß alle Partikel, deren Flug- und damit Signaldauer kleiner als τ* ist, verworfen werden.
Die beiden senkrecht zueinander stehenden Blendenbilder spannen das Meßvolumen auf (3). Die hyperbolischen Begrenzungsflächen beginnen bei h_min und enden bei h_max (durch Konstruktion der Blenden so vorgegeben). Entsprechend hierzu besitzt der veränderliche Meßvolumenquerschnitt bei h_min ein absolutes Maximum, 4s² _max, bei h_max ein Minimum, 4s² _min. Die Flächennormale zu s² ist die Strömungsrichtung. Ausgehend von einer bestimmten vorliegenden Geschwindigkeit v wird eine Partikelflugzeit bzw. Signaldauer τ* festgelegt, derart daß hmin < h* < hmax wobei h* = v⋅τ* (h* soll ungefähr in der Mitte zwischen h_min und h_max liegen).
Die zu h* gehörige quadratische Fläche 4(s*)² = A_M ist der maximale Querschnitt des aktuellen Meßvolumens, durch den sich alle Partikeln mit τ > τ* und demgemäß h < h* hindurch bewegen und bezüglich dessen (bzw. τ*) die bereits genannte Selektion der Partikeln vorgenommen wird. Das heißt mit τ* ist in Bezug auf die jeweilige Geschwindigkeit v die aktuelle maximale laterale Ausdehnung des Meßvolumens festgelegt.
Für (s*)² gilt
Ändert sich die Geschwindigkeit, so ändert sich (bei festem τ*!) sowohl (s*)² als auch h*, und zwar derart, daß das Produkt
konstant bleibt. V* wird hier als Basisvolumen bezeichnet; sein Wert ist bekannt. Das quaderförmige Basisvolu men V* behält immer den gleichen Wert, wenn sich h* bei festem τ* aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen ändert, nicht aber das ganze effektive Meßvolumen V_M, das größer ist. Sein Wert ergibt sich aus der Summe des quaderförmigen Basisvolumens V* und dem über der quadratischen Fläche 4(s*)² liegenden, durch die hyperbolischen Seitenflächen begrenzten und bis zur Höhe h_max reichenden Restvolumen. Das Meßvolumen V_M wird z.B. kleiner, wenn h* mit zunehmender Geschwindigkeit wächst, weil das Restvolumen dann immer kleiner wird. Da Z* vorgegeben wird, ist auch der Volumenstrom V* bekannt. Das heißt, die Zählrate Z, die bei derartiger Meßvolumendefinition gemessen wird, ist unabhängig von Geschwindigkeitsänderungen direkt das Maß für die Partikelkonzentration C_N. Ändert sich die Zählrate, dann aufgrund einer Konzentrationsänderung und nicht aufgrund einer Geschwindigkeitsänderung. Die Geschwindigkeit darf sich mit beliebiger Frequenz ändern! Sie braucht nicht bekannt zu sein, wenn sichergestellt ist, daß die Geschwindigkeitsänderungen bestimmte Grenzen nicht überschreiten.
Strömt ein Teilchen durch das primäre Meßvolumen, so wird es nur erfaßt, wenn seine mittlere Laufzeit durch das Meßvolumen, d.h. die Zeit, in der es Licht auf den Detektor reflektiert, t mindestens so groß ist wie die vorgegebene Signalmindestdauer τ* (entsprechend lateraler Erstreckung s*). Das in der 4b als offener Kreis dargestellte Teilchen mit
wird daher gerade noch erfaßt. Demgemäß sieht die Auswerteeinrichtung einen Zeitgeber vor, durch welchen Teilchen mit kürzerer Laufzeit als ∆t_m von der weiteren Auswertung ausgeschlossen werden. Derart wird innerhalb des mechanisch-optisch bestimmten primären Meßvolumens, wie es oben beschrieben wurde, optoelektronisch ein (sekundäres) wirksames Meßvolumen definiert, das quaderförmig ausgebildet ist, wobei Begrenzungsebenen senkrecht und parallel zur Strömungsrichtung S der Teilchen liegen.
Durch die Erfindung können Randeffekte, wie sie bei rein mechanisch-optisch gebildeten Meßvolumen auftreten, indem Teilchen, die am Rand eines solch gemessenen Volumens entlangströmen und daher nur teilweise beleuchtet werden und daher im Detektor ein kleineres Teilchen vorspiegeln, als es ihrer tatsächlichen Größe entspricht, unabhängig von der Teilchengenauigkeit ausgeschieden werden.
Während bei der beschriebenen Ausführungsform die hyperbolischen Begrenzungsflächen der Blendenöffnungen 9, 17 dem ankommenden Partikelstrom S zugewandt sind (2, 3) und eine Eintrittsbegrenzung bilden sowie die ebene Basisfläche des Meßvolumens eine Austrittsbegrenzung bildet (7a), läßt sich dieses Meßvolumen auch in umgekehrter Richtung anströmen (7b). Auch ist es möglich, hyperbolische Begrenzungsflächen auf der Eintritts- und der Austrittsseite vorzugeben, so daß das Meßvolumen einem Oktaeder einbeschrieben wäre. Eine entsprechende Blende ist in 7c dargestellt.
Die Kompensation von Geschwindigkeitsänderungen durch Änderung von (s*)² gelingt allerdings nur innerhalb gewisser Grenzen. Ein Geschwindigkeitsverlauf mit Fluktuationen und Laufzeitverhalten ist in 5 dargestellt.
Ist die Geschwindigkeitsänderung zu groß, so verläßt h* den Bereich zwischen h_min und h_max und die Bedingungen für das Funktionieren des Verfahrens sind verletzt. In diesem Falle ist τ* entsprechend neu vorzugeben derart, daß hmin < h* < hmax wieder erfüllt ist.
Um diesem Sachverhalt Rechnung tragen zu können, müssen die zu hohen Geschwindigkeitsänderungen allerdings erkannt werden, d.h. auch die Geschwindigkeit muß hinreichend genau kontrolliert werden, wenn zu hohe Änderungen zu befürchten sind. Da die Signaldauer 7 permanent (für jede Partikel) kontrolliert wird, kann im Rahmen einer gewissen Meßzeit t_M auch die Geschwindigkeit angegeben werden, und zwar auch im Falle des gemäß 3 definierten Meßvolumens. Aufgrund der Gestalt dieses Meßvolumens ergibt sich (bei regulärem Betrieb und v = constant) für die Partikelflugzeit und damit Signaldauern τ eine Häufigkeitsverteilung Q₀(τ), wie sie qualitativ in 6 dargestellt ist.
Der Anteil Q₀(τ_max) = τ*/τ_max an signalen mit einer Länge von τ_max rührt von jenen Partikeln her, die sich durch den Querschnitt s² _min hindurch bewegen. Sie besitzen alle die gleiche Signaldauer τ_max, denn das Meßvolumen ist hier eben begrenzt und seine Höhe hat überall den gleichen Wert h = h_max (h_max wie auch h_min stellen Systemkonstanten dar und sind keine Parameter).
Für eine Überprüfung der Geschwindigkeitsgrenzen, innerhalb derer bei einem bestimmten τ* das Verfahren wirksam ist, genügt es, die obere Grenze der Verteilung bei τ_max in etwa zu erkennen, wozu aber gerade der Anteil τ*/τ_max in seiner ausgeprägten Form beiträgt. Es ist nicht erforderlich, die gesamte Verteilung Q₀(τ) repräsentativ zu erfassen, was wiederum bedeutet, daß die Meßzeit t_M verhältnismäßig kurz sein darf. Für die Geschwindigkeitsgrenzen gilt vmin = hmin/τ* und vmax = hmax/τ*
Hieraus folgt:
Bei festgehaltenem Parameter τ* muß bei steigender Geschwindigkeit immer noch τmax > τ* bleiben, bei sinkender Geschwindigkeit muß immer noch τmin < τ* und damit
bleiben, denn es darf h* nicht größer als h_max und nicht kleiner als h_min werden. Werden diese Grenzen unter- oder überschritten, so muß der Parameter τ*, wie schon gesagt, der veränderten Situation entsprechend neu festgelegt werden (geschieht automatisch über Computer programm). Werden die Signaldauern τ_max im Diagramm der 6 bei steigender Geschwindigkeit immer kleiner und nähern sie sich immer mehr dem Wert τ* an, so muß τ* verkleinert werden usw.
Die deutliche Erkennbarkeit des Anteils der maximalen Signaldauern (6) ist eine vorteilhafte Dreingabe bei der erfindungsgemäßen Art der Meßvolumenbegrenzung. Die maximalen Signaldauern stammen von all jenen Teilchen, die sich durch die ebene Deckfläche des Meßvolumens V_M hindurchbewegen. Kritische Geschwindigkeitsänderungen können damit schon relativ früh erkannt werden.
Wenn von Geschwindigkeitsänderungen die Rede ist, so hat man in der Vorstellung zu unterscheiden zwischen lansamen stetigen Änderungen (Driften) und schnellen Schwankungen um einen mittleren Wert (Fluktuationen). Auch eine Kombination von beidem ist möglich.
Im Falle hoher Fluktuationsfrequenz, d.h. einer Frequenz, die größer ist als der reziproke Wert der erforderlichen Meßzeit t_M (dieser Fall ist durchaus erlaubt), wird die Verteilung Q₀(τ) am oberen Ende keine sprunghafte Grenze aufweisen, sondern sie wird innerhalb eines mehr oder weniger breiten Bereiches stetig auf den Wert 1 (bzw. 100 %) ansteigen. Auch in diesem Falle läßt sich durch Kontrolle (Mittelwertbildung) der τ-Werte im oberen Bereich der Verteilung relativ schnell erkennen, ob die zuvor formulierten Bedingungen für den korrekten Betrieb des Streulicht-Partikelzählers eingehalten werden. In jedem Falle liegt eine quasi online-Kontrolle vor.
Sei die zu erwartende mittlere Geschwindigkeit v₀
Die mit dem Index "0" bezeichneten Größen stellen den mittleren Arbeitspunkt dar, der sich bei veränderlicher Teilchengeschwindigkeit in 1 nach "oben" und nach "unten" verschieben kann (3).
Für das Basisvolumen V* folgt
und für den Volumenstrom
Eine andere Möglichkeit, die Anpassungsgrenzen zu benennen, besteht darin, den Spielraum der Geschwindigkeitsänderungen anzugeben. Gut realisierbar und dabei auch realistisch ist z.B., wenn man Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich von 0,5 v0 < v0 < 2v0 zuläßt. Es handelt sich um ein Beispiel, man könnte auch etwas veränderte Werte nehmen, ohne daß die Funktionstüchtigkeit des Verfahrens in Frage gestellt wäre. Für die Meßvolumenauslegung muß dann gelten
sowie zugehörig
Der Querschnitt eines solchen Meßvolumens ist in 7a dargestellt. Die körperlichen Blenden, mit welchen durch Abbildung dieses Meßvolumen geschaffen würde, hätten das gleiche Aussehen.
Das neue Verfahren sieht insbesondere hyperbolische Begrenzungsflächen vor. Dabei sind jedoch unterschiedliche Anordnungen denkbar. In 7a sind die hyperbolischen Begrenzungsflächen dem ankommenden Partikelstrom zugewandt, sie bilden die Eintrittsbegrenzung. Die ebene Basisfläche des Meßvolumens bildet die Austrittsbegrenzung (7a). Ein solches Meßvolumen ließe sich aber auch in umgekehrter Richtung anströmen (7b), und die Kriterien des Verfahrens wären ebenso erfüllt. Eine dritte Möglichkeit bestünde darin, hyperbolische Begrenzungsflächen sowohl auf der Eintritts- wie auf der Austrittsseite des Meßvolumens vorzusehen (7c).
Welche dieser Anordnungen sich am günstigsten erweist, darüber entscheiden u.a. die damit verbundenen Signal eigenschaften wie z.B. die Flankensteilheit im Zusammenhang mit der Signaltriggerung. Von dieser Signaleigenschaft hängt z.B. die Schärfe ab, mit der das Kriterium τ < τ*, d.h. die laterale Meßvolumenausdehnung, kontrolliert wird. Außerdem spielen weitere Gesichtspunkte eine Rolle, so z.B. das Koinzidenzfehlerproblem.
Bis hierhin wurde das Verfahren unter der Voraussetzung betrachtet, daß sich alle Partikeln (unabhängig von ihrer Größe) mit der gleichen Geschwindigkeit durch das Meßvolumen bewegen. Eine Änderung der Geschwindigkeit soll immer alle Partikeln in gleicher Weise betreffen. Diese Voraussetzung ist realistisch für den Partikelgrößenbereich x < 10 μm, ein Bereich, der die eigentliche Domäne solcher Streulicht-Partikelzähler darstellte. Weitergehende Überlegungen zeigen jedoch, daß das hier vorgestellte Verfahren auch funktionsfähig ist, wenn sich die Partikeln des zu untersuchenden Kollektivs nicht alle mit der gleichen Geschwindigkeit durch das Meßvolumen bewegen, wenn also eine bestimmte Häufigkeitsverteilung der Partikelgeschwindigkeiten vorliegt. Hierbei kann zwischen Größe x und Geschwindigkeit v der Partikeln eine Korrelation bestehen oder auch nicht (zweidimensionale Häufigkeitsverteilungen von Partikelgröße und -geschwindigkeit).

Claims

Verfahren zur Analyse von in einem strömenden Fluid dispergierten Teilchen, wobei die Teilchen in einem optisch abgegrenzten Messvolumen mit über dessen Höhe in Strömungsrichtung hin unterschiedlichem Querschnitt detektiert werden und nur Teilchen zur Auswertung zugelassen werden, deren gemessene Laufzeit eine vorgegebene Signalmindestdauer überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen des Messvolumens nicht eben sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. dass die Begrenzungsflächen eine sich stetig verändernde Konkavität aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch abgegrenzte Messvolumen hyperbolische Begrenzungsflächen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch abgegrenzte Messvolumen symmetrisch ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen mittels Blendenöffnungen beleuchtet und detektiert werden, die stetig konkav ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen mittels Blendenöffnungen beleuchtet und detektiert werden, die hyperbelartig ausgebildete Begrenzungskanten aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungskanten der Blendenöffnungen symmetrisch ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnungen im Beleuchtungs- und im Detektionsweg gleich ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei sich verändernder Geschwindigkeit der Teilchen und damit maximaler Signaldauer der von den Teilchen bewirkten Signale die Signalmindestdauer angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung vorgenommen wird, wenn sich bei Änderung der Geschwindigkeit die maximale Signaldauer der von den Teilchen bewirkten Signale bis auf das 1,1-fache der aktuell vorgegebenen Signalmindestdauer an diese angenähert bzw. sich auf das 3,8-fache von ihr entfernt hat.
Vorrichtung zur Analyse von in einem strömenden Fluid dispergierten Teilchen, mit einer Beleuchtungs-, einer Detektions- und einer Auswerteeinrichtung, wobei die Beleuchtungs- und die Detektionseinrichtung derart ausgebildet sind, dass sie im Teilchenstrom ein Messvolumen abgrenzen, das über seine Höhe in Strömungsrichtung einen veränderlichen Querschnitt aufweist, und wobei die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie nur Teilchen zur weiteren Auswertung zulässt, deren gemessene Laufzeit eine vorgegebene Signalmindestdauer überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen (15) des Messvolumens (V_M) nicht eben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen (15) des Messvolumens (V_M) eine sich stetig verändernde Konkavität aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch abgegrenzte Messvolumen (V_M) hyperbolische Begrenzungsflächen (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch abgegrenzte Messvolumen (V_M) symmetrisch ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungskanten (22) von Blendenöffnungen (9, 17) der Detektions- und Beleuchtungseinrichtung (6, 13) stetig konkav ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungskanten (22) von Blen denöffnungen (9, 17) der Detektions- und Beleuchtungseinrichtung (6, 13) hyperbelartig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungskanten (22) der Blendenöffnungen (9, 17) symmetrisch ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnungen (9, 17) der Detektions- und Beleuchtungseinrichtung (6, 13) strukturell gleich ausgebildet sind.