DE19911654C1 - Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von Partikeln - Google Patents
Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von PartikelnInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von Partikeln in transparenten Medien oder im Vakuum, wobei die Partikel in einem Meßvolumen mit Primärlicht einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet werden und das durch die Partikel beeinflußte Licht auf zwei Lichtempfänger abgebildet wird, die nebeneinander in Bewegungsrichtung der Partikel angeordnet und auf optoelektronische Wandler geführt sind, und wobei aus Zeitmessungen der der Passage der Lichtempfänger durch die Partikel entsprechenden Ausgangsignale der Wandler die Geschwindigkeit und die Größe der Partikel bestimmt wird. DOLLAR A Aufgabe ist es, eine Einrichtung der genannten Art zu schaffen, mit der bei relativ einfacher, kompakter Bauweise Meßwertverfälschungen weitgehend vermieden sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist eine vorzugsweise kreisförmige Lichtempfangsfläche des ersten Lichtempfängers konzentrisch von einer vorzugsweise kreisringförmigen Lichtempfangsfläche des zweiten Lichtempfängers umgeben, und jedem Lichtempfänger ist ein optoelektronischer Wandler zugeordnet. DOLLAR A Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die berührungslose Bestimmung von Geschwindigkeit und Größe von bewegten Partikeln, wie festen, flüssigen oder gasförmigen Teilchen, in transparenten Medien, insbesondere in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen oder im Vakuum.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der
Größe von Partikeln in transparenten Medien oder im Vakuum, wobei die Partikeln in
einem Meßvolumen mit Primärlicht einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet werden
und das durch die Partikeln beeinflußte Licht auf zwei Lichtempfänger abgebildet
wird, die nebeneinander in Bewegungsrichtung der Partikeln angeordnet und auf
optoelektronische Wandler geführt sind, und wobei aus Zeitmessungen der der Pas
sage der Lichtempfänger durch die Partikeln entsprechenden Ausgangssignale der
Wandler die Geschwindigkeit und die Größe der Partikeln bestimmt wird.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die berührungslose Bestimmung von Ge
schwindigkeit und Größe von bewegten Partikeln, wie festen, flüssigen oder gasför
migen Teilchen, in transparenten Medien, insbesondere in Gas- oder Flüssigkeits
strömungen oder im Vakuum. Dabei ist eine kontinuierliche Bestimmung von Parti
kelgeschwindigkeit und -größe ohne Probennahme z. B. im Rahmen von verfahrens
technischen Stoffstromprozessen auch bei höheren Partikelkonzentrationen mit einer
hohen Datenrate möglich.
Aus DE-OS 41 18 716 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Erfas
sung und Auswertung von Streulichtsignalen zwecks Bestimmung der Geschwindig
keit, der Flugrichtung und der Größe von Partikeln bekannt. Ein entsprechend aus
gestaltetes Strichgitter-Anemometer erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Schwe
bungsfrequenz hinsichtlich der Partikelgeschwindigkeit und dessen Amplitudenver
hältnis hinsichtlich der Partikelgröße ausgewertet wird.
Bei dieser Lösungsmöglichkeit sind jedoch der geräte- und verfahrenstechnische so
wie der Auswertungsaufwand erheblich und die Partikelgrößenbestimmung ist mit
großen Unsicherheiten verbunden. Darüber hinaus schränkt die ausschließliche
Auswertung von Streulichtsignalen die Anwendbarkeit hinsichtlich der Partikelgröße
ungünstigerweise ein.
Es sind bereits einfachere Verfahren und Einrichtungen unter Verwendung der Orts
frequenzfiltertechnik bekannt.
In DD-PS 142 606 sind ein Verfahren und eine Meßsonde für Teilchengeschwindig
keits-, Teilchengrößen- und Teilchenkonzentrationsverteilungen beschrieben. Dabei
werden die in einem Strömungsmittel befindlichen Partikeln innerhalb eines Meßvo
lumens mit dem Licht einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet und das durch die
Partikel reflektierte Licht oder deren Schattenbild wird auf einer Ortsfrequenzfil
teranordnung abgebildet. Diese besteht aus in einer optischen Wirkungsfläche mün
denden gitterartig angeordneten Lichtwellenleitern, speziell flexiblen Lichtleitfasern,
welche ausgangsseitig auf eine optoelektronische Wandleranordnung und nach Ver
stärkung auf einen Frequenzanalysator geleitet sind.
Die Frequenzanalyse des wechselspannungsartigen Ausgangssignals der Wand
leranordnung führt zur Bestimmung der dominierenden Frequenz, woraus unter Ver
wendung der Gitterkonstanten und ggf. eines Abbildungsmaßstabs die Partikelge
schwindigkeit bestimmt wird.
Zwecks Ermittlung der Partikelgröße ist der Ortsfrequenzfilteranordnung eine zusätz
liche Lichtleitfaser zugefügt, die auf einen gesonderten optoelektronischen Wandler
und Verstärker geführt ist. Wird die Lichtempfangsfläche dieser zusätzlichen Licht
leitfaser durch das vom reflektierten Licht oder Schattenbild einer Partikel verur
sachte optische Signal getroffen, so wird ein Impuls erzeugt. Aus dessen zeitlicher
Breite kann nun unter Einbezug der Partikelgeschwindigkeit (Komponente in der
Haupt-Bewegungsrichtung der Partikeln), des Durchmessers der Lichtempfangsflä
che der zusätzlichen Lichtleitfaser und ggf. eines Abbildungsmaßstabs die Partikel
größe (Komponente in der Haupt-Bewegungsrichtung der Partikeln) bestimmt wer
den.
Die aus DD-PS 142 606 bekannte Meßsonde wurde gemäß DE-PS 196 28 348 wei
ter entwickelt. Dabei ist der lichtführende Querschnitt der zusätzlichen Lichtleitfaser
deutlich kleiner ausgeführt als der jeweilige Querschnitt der in der optischen Wir
kungsfläche der Ortsfrequenzfilteranordnung mündenden Lichtwellenleiter, wobei die
Beleuchtungseinrichtung eine Parallelprojektion oder eine optische Abbildung der
Partikeln auf die um die zusätzliche Lichtleitfaser erweiterte Ortsfrequenzfilteranord
nung ermöglicht. Diese Verbesserung gestattet unter weiterer Verwendung des
grundsätzlichen Meßprinzips eine Erhöhung der Genauigkeit der Partikelgrößenbe
stimmung vor allem durch eine höhere Genauigkeit der Auswertung der durch die
zusätzliche Lichtleitfaser (in Verbindung mit der Beleuchtungseinrichtung und dem
optoelektronischen Wandler) erzeugten Impulsbreite.
Eine weitere Verbesserung der nach dem genannten Meßprinzip arbeitenden Meß
sonde ist in DE-GM 298 04 156 beschrieben.
Dieses bekannte Meßprinzip der Kombination einer Ortsfrequenzfilteranordnung für
die Geschwindigkeitsbestimmung mit einer zusätzlichen lichtwellenleitenden Ele
mentanordnung zur Größenbestimmung beinhaltet jedoch sowohl verfahrens- als
auch einrichtungsseitig einige Nachteile.
So ist die Anwendung des Ortsfrequenzfilterverfahrens für die berührungslose Parti
kelgeschwindigkeitsmessung - als Voraussetzung für die berührungslose Partikel
größenbestimmung - infolge der aufwendigen und damit relativ langsamen Auswer
tung sowie der unterschiedlichen Auswertetechnik der Ausgangssignale mit Nach
teilen verbunden. Die Burstauswertung mittels Frequenzanalyse erfolgt bei modernen
Lösungen mit Hilfe von Näherungsverfahren, vor allem mittels Fast-Fourier-
Transformation im Computer unter Nutzung aufwendiger Software (vergl. D. Petrak
et al.: Faseroptische Ortsfilter-Anemometrie - ein lokales Meßverfahren für Mehr
phasenströmungen, Technisches Messen 56 (1989) 2, 72-83), so daß die Dynamik
der Meßwertermittlung durch eine relativ langsame softwaregesteuerte Auswertung
eingeschränkt ist. Dabei steht der analogen Auswertung des Bursts hinsichtlich der
Partikelgeschwindigkeit eine digitale Auswertung des von der zusätzlichen lichtwel
lenleitenden Elementanordnung gelieferten Impulses hinsichtlich der Impulsdauer
(Impulsbreite) gegenüber. Demgemäß sind der Aufbau der Meßsonde und der hard-
und softwaremäßige Aufwand für die unterschiedliche Auswertung der verschiede
nen Ausgangssignale relativ aufwendig und damit teuer.
Nachteilig ist dabei auch, daß i. d. R. das Ausgangssignal der Ortsfrequenzfil
teranordnung insbesondere aufgrund deren räumlicher Ausdehnung und der Signal
verarbeitung von anderen Partikeln verursacht wird als das Ausgangssignal der zu
sätzlichen lichtwellenleitenden Elementanordnung, so daß die Partikelgrößenbe
stimmung mit mehr oder weniger großen Fehlern behaftet ist.
Anordnungsseitig steht die Anwendung der Ortsfrequenzfiltertechnik der weiter erfor
derlichen Miniaturisierung der Meßsonden entgegen. Insbesondere erfordert ein
Ortsfrequenzfilter, vor allem in Differenzanordnung, eine relativ lange Meßzeile, z. B.
bestehend aus den in der optischen Wirkungsfläche mündenden Lichtleitfasern be
stimmter Anzahl, um eine hinreichende Burstausbildung zu erreichen. Das führt je
doch notwendigerweise zu einer relativ großen sensitiven Empfangsfläche, wodurch
die Meßsondengröße beeinflußt wird.
Darüber hinaus ist die genaue Herstellung von faseroptischen Ortsfrequenzfiltern
aufwendig, kostenintensiv und problematisch. Da im Realfall der als Gitterkonstante
bezeichnete Abstand zwischen den einzelnen Gitterelementen von Element zu Ele
ment verschieden ist, muß er durch Ausmessung bestimmt werden, wonach die Git
terkonstante des Ortsfrequenzfilters durch Mittelwertbildung errechnet wird. Dieser
Mittelwert beinhaltet jedoch naturgemäß einen unterschiedlich großen Fehler bezüg
lich des jeweils tatsächlichen Abstands, was die Genauigkeit des Meßergebnisses
hinsichtlich der Partikelgeschwindigkeit und damit auch der -größe beeinflußt.
Nachteilig ist weiterhin die z. T. erhebliche Fehlermöglichkeit bei größeren Partikel
konzentrationen im Medium, wodurch Koinzidenzen von Partikeln im Meßvolumen
auftreten können. Um zu sichern, daß sich über dem Ortsfrequenzfilter jeweils nur
eine Partikel bewegt, darf eine relativ geringe Partikelkonzentration nicht überschrit
ten werden. Ansonsten sind aufwendige Auswertungsalgorithmen (mit ihren weiteren
Nachteilen hinsichtlich der Auswertungsgeschwindigkeit) erforderlich und es läßt sich
nur eine relativ geringe Meßrate erzielen.
Andere bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Geschwindigkeit
und Größe von Partikeln in Strömungen verzichten auf den Einsatz der Ortsfre
quenzfiltertechnik und arbeiten mit Lichtschranken.
So sind aus DD-PS 128 995 ein Verfahren und eine Lichtabsorptionssonde zur Mes
sung von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in einem Strö
mungsmittel bekannt, wobei die Teilchen zwischen den Meßflanken an zwei Licht
strahlen nacheinander auftretende Lichtabsorptionen hervorrufen. Vorrichtungsge
mäß ragt eine Lichtabsorptionssonde in eine Strömung hinein und besteht aus zwei
Meßflanken, in denen einerseits zwei flexible, linear beabstandete Lichtleitbündel für
die Beleuchtung und gegenübersitzend zwei Lichtleitbündel für die Aufnahme des
durch Lichtabsorption beeinflußten Lichts münden. Die Verarbeitung der opto
elektronisch gewandelten Signale erfolgt in einer technisch aufwendigen Schaltungs
anordnung.
Aus DD-PS 203 140 ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Transport
kenngrößenmessung in Mehrphasengemischen bekannt. Die entsprechende Licht
absorptionssonde besteht aus einer Meßschranke mit einem Lichtleitfaserbündel als
Lichtgeber und zwei gegenüber angeordneten, unmittelbar nebeneinandersitzenden
Lichtleitfasern, wobei beide Lichtleitfaserbündel (Lichtgeber und -empfänger) in die
Strömung hineinragen.
Beiden bekannten Vorrichtungen bzw. Sonden ist gemeinsam, daß der lineare Ab
stand sowohl zwischen den beiden Beleuchtungslichtgebern als auch zwischen den
beiden Lichtempfängern (DD 128 995) bzw. zwischen den beiden Lichtempfängern
(DD 203 140) genau in Strömungs- bzw. Bewegungsrichtung der Partikeln ausge
richtet sein muß. Winkelabweichungen, die auch durch Turbulenzen in der Strömung
oder andere Beeinflussungen hervorgerufen sein können, führen zu Meßfehlern so
wohl hinsichtlich der Geschwindigkeitsbestimmung als auch der Größenbestimmung
der Partikeln. Eine Erkennung bzw. Bestimmung der konkreten Bewegungsrichtung
der Partikeln ist mit diesen bekannten Sonden nicht realisierbar.
Weitere Meßwertverfälschungen werden durch die in die Strömung hineinragenden
Sondenbestandteile verursacht. Zusätzliche Fehlermöglichkeiten resultieren aus dem
unmittelbar aus den Lichtgebern bzw. der Beleuchtungseinrichtung austretendem
Lichtstrahl, der zwangsläufig divergent ist. Damit werden auf der Lichtabsorptions
sonde die Partikeln (infolge der Wirkung eines Aperturwinkels und der konkreten Be
wegungsbahn der Partikeln im unterschiedlichen Abstand von den Lichtempfangsflä
chen) immer zu groß abgebildet, d. h. es entstehen unterschiedlich große Fehler bei
der Zeitmessung, die zur Verfälschung der Geschwindigkeits- und besonders gravie
rend der Teilchengrößenwerte führen.
Nachteilig ist des weiteren, daß die bekannten Vorrichtungen nicht nach dem Prinzip
der Auswertung der Lichtreflexion arbeiten können, wodurch der Raumbedarf der
Sonden relativ groß ist.
Aus DD-PS 219 590 ist es bekannt, in einen Strömungskanal einerseits einen Licht
geber zu positionieren, der ein Lichtbündel mit ebener Wellenfront aussendet. Radial
gegenüber ist ein optischer Empfänger vorgesehen, der drei oder mehr Empfänger
lichtleitfasern in genau definierten geometrischen Lagebeziehungen aufweist, welche
jeweils auf einen gesonderten Verarbeitungskanal geführt sind.
Diese bekannte Vorrichtung gestattet die Bestimmung von Betrag und Richtung der
Geschwindigkeit sowie von Größe und Transportkonzentration der in der Strömung
befindlichen Partikeln. Nachteilig ist neben dem hohen Fertigungs- der relativ hohe
Auswertungsaufwand, der auch bei nur geringen Richtungsabweichungen der be
wegten Partikeln erforderlich ist und zu vergleichsweise hohen Auswertezeiten (mit
allen weiteren Nachteilen) führt. Im übrigen treten auch bei dieser Vorrichtung die
vorgenannten Fehlermöglichkeiten durch Störung des Strömungsverlaufs auf. Die
Auswertung von Lichtreflexion ist gleichfalls nicht möglich.
In Anbetracht der Nachteile des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
der bei relativ einfacher, kompakter Bauweise Meßwertverfälschungen weitgehend
vermieden sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den Un
teransprüchen 2 bis 4 beschrieben sind.
Die erfindungsgemäße ausgestaltete Einrichtung gestattet eine relativ einfache und
kompakte Bauweise der Sonde. Dabei werden Meßwertverfälschungen weitgehend
vermieden. Insbesondere Bewegungsrichtungsabweichungen bzw. -änderungen der
Partikeln von der normalen Strömungsrichtung haben keinen Einfluß mehr auf die
Meßgenauigkeit, da ein erster Lichtempfänger von einem zweiten Lichtempfänger
konzentrisch umgeben ist. Dadurch ist das der Messung zugrunde liegende lineare
Abstandsmaß zwischen beiden Lichtempfängern in jeder beliebigen Richtung inner
halb einer Parallelebene zur optischen Wirkungsfläche bzw. zur Wandfläche gleich
und konstant, so daß in diesem Rahmen eine Richtungsabhängigkeit der Meßein
richtung bzw. der erfaßten Ausgangssignale vermieden ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht die vorzugsweise kreisringförmi
ge Lichtempfangsfläche des zweiten Lichtempfängers aus einzelnen Lichtempfän
gern, denen jeweils gesonderte optoelektronische Wandler zugeordnet sind. Durch
diese Ausführung ist die zweidimensionale Bestimmung der Bewegungsrichtung der
Partikeln möglich, da jeder einzelne zweite Lichtempfänger relativ zum zentralen er
sten Lichtempfänger einen bestimmten Winkel definiert. Anhand der konkreten Aus
gangssignale der ersten und jeweils erregten zweiten Lichtempfänger ist die Rich
tungserkennung realisierbar.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind bei Auswertung des von den Partikeln
reflektierten Lichts die Lichtempfänger als Lichtwellenleiter ausgeführt und bilden
selbst die Beleuchtungseinrichtung, indem eine Lichtquelle über optische Y-Koppler
in beide Lichtempfänger richtungsselektiv eingekoppelt ist. Dadurch ist eine beson
ders kompakte Bauweise der Sonde möglich, da auf eine gesonderte, im allgemei
nen der optischen Wirkungsfläche unter Einschluß des Meßvolumens gegenüber
angeordnete Beleuchtungseinrichtung verzichtet werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Beleuchtungseinrich
tung eine Parallelisierungsoptik zur Erzeugung von parallelem Primärlicht auf und ist
entweder zusammen mit den Lichtempfangsflächen der Lichtempfänger in einer das
Meßvolumen begrenzenden optischen Wirkungsfläche oder unter Einschluß des
Meßvolumens in einer Wandfläche den Lichtempfangsflächen gegenüber angeord
net. Durch die Verwendung von parallelem Primärlicht ist eine besonders genaue
Meßwertbestimmung möglich, da ein negativer Einfluß eines Aperturwinkels vermie
den ist. Da des weiteren keine Sondenbestandteile in das strömende Medium hinein
ragen, sind damit verbundene Fehlermöglichkeiten beseitigt.
Insgesamt gestattet die erfindungsgemäße Einrichtung die zweckmäßige und vorteil
hafte Realisierung einer einheitlichen und kombinierten Gewinnung der Ausgangs
signale für die Bestimmung von Partikelgeschwindigkeit und -größe sowie deren
Auswertung bei einem geringen technischen Aufwand sowie bei Sicherung einer hö
heren Genauigkeit.
Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen und einigen Varian
ten näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei das
Schattenbild von in einer Strömung enthaltenen Partikeln erfaßt wird,
Fig. 2 die Ansicht in Richtung des Pfeils II in Fig. 1,
Fig. 3 die von den Lichtempfängern detektierten Ausgangssignale in idealisierter
Form,
Fig. 4 eine andere Variante analog zu Fig. 2,
Fig. 5 die schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels, wobei das von
den Partikeln reflektierte Licht erfaßt wird.
Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1 und 2) bewege sich eine Was
serströmung durch einen Spalt der Breite c, der durch die Wandflächen 1 und 2
gebildet ist. Durch die Wasserströmung werden Partikeln 3 der Abmessung/Größe s
mit der Geschwindigkeit v fortbewegt.
Die Meßeinrichtung für die kombinierte Bestimmung von Geschwindigkeit v und Grö
ße s der Partikeln 3 ist in den Wandflächen 1, 2 integriert, so daß die Strömung wei
testgehend ungestört ist. In der Wandfläche 1 mündet ein als flexible Lichtleitfaser
ausgeführter (erster) Lichtempfänger 4.1 der Dicke a. Dessen kreisförmige Licht
empfangsfläche sitzt bündig in der Wandfläche 1 und ist konzentrisch umgeben von
der kreisringförmigen Lichtempfangsfläche eines (zweiten) rohrförmigen Lichtemp
fängers 5.1. Die Dicke b des rohrförmigen Lichtempfängers 5.1 ist durch dessen ra
diale Kreisring- bzw. Rohrdicke bestimmt. Durch diese Anordnung ist ein mit dem
Durchmesser d eingegrenzter Bereich einer optischen Wirkungsfläche 1.1 gebildet.
Die Lichtempfangsflächen beider Lichtempfänger 4.1, 5.1 besitzen voneinander ei
nen definierten Abstand g, dessen (gedachte) Abstandslinie dem radialen Maß zwi
schen dem Zentrum und dem mittleren Kreisringdurchmesser entspricht.
Ausgangsseitig sind die Lichtempfänger 4.1 und 5.1 auf je einen optoelektronischen
Wandler 6, 7 geführt, welche mit einer Auswerteeinrichtung 8 verbunden sind. Diese
dient der Berechnung und Ausgabe von Partikelgeschwindigkeit v und -größe s.
Lichtempfänger 4.1, 5.1 und zugeordnete optoelektronische Wandler 6, 7 sollen im
Ausführungsbeispiel die Lichtempfänger darstellen. In nicht gezeichneten Varianten
können diese auch selbst und unmittelbar als optoelektronische Wandler (z. B. Foto
dioden) ausgeführt sein.
Der optischen Wirkungsfläche 1.1 gegenüber ist in der Wandfläche 2 eine Beleuch
tungseinrichtung angeordnet. Diese besteht aus einer Lichtquelle 9 und einer Paral
lelisierungsoptik 10, wodurch ein die Wasserströmung im Spalt durchdringendes pa
ralleles Lichtbündel erzeugt wird. Durch dieses Lichtbündel wird ein Meßvolumen mit
dem Durchmesser d und der Breite c definiert, welches unmittelbar an die optische
Wirkungsfläche 1.1 angrenzt.
Die Arbeitsweise ist wie folgt:
Bei der Bewegung einer Partikel 3 mit der Wasserströmung durch das Meßvolumen
mit der Geschwindigkeit v erzeugt diese unter der Beleuchtung durch die Beleuch
tungseinrichtung (Lichtquelle 9 mit Parallelisierungsoptik 10) ein Schattenbild, wel
ches auf der optischen Wirkungsfläche 1.1 abgebildet wird. Demgemäß wird zeitlich
nacheinander zunächst die Lichtempfangsfläche des Lichtempfängers 5.1 und an
schließend die Lichtempfangsfläche des Lichtempfängers 4.1 schattiert. Durch diese
optischen Signale werden am Ausgang des Lichtempfängers 5.1 ein erster Impuls 11
(Fig. 3a) und am Ausgang des Lichtempfängers 4.1 ein zweiter Impuls 12 (Fig. 3b)
erzeugt, deren Laufzeitdifferenz To, im konkreten Ausführungsbeispiel die Zeitdiffe
renz To zwischen der Vorderflanke des ersten Impulses 11 und der Vorderflanke des
zweiten Impulses 12, im Rahmen einer ersten Zeitmessung gemessen wird. Dieses
erfolgt nach Wandlung der optischen Signale in elektrische Signale mit Hilfe der op
toelektronischen Wandler 6, 7 in der Auswerteeinrichtung 8. In dieser wird anschlie
ßend die Geschwindigkeit v (in der Zeichenebene der Fig. 2) unter Verwendung des
definierten Abstands g zwischen beiden Lichtempfangsflächen der Lichtempfänger
4.1, 5.1 nach bekannter Beziehung berechnet und gespeichert bzw. ausgege
ben/angezeigt.
Die Bestimmung der Partikelgröße s erfolgt gleichfalls unter Nutzung des von der
(gleichen) Partikel 3 verursachten optischen Signals durch Ermittlung der zeitlichen
Breite TF1 des ersten Impulses 11 oder der zeitlichen Breite TF2 des zweiten Impul
ses 12 innerhalb einer zweiten Zeitmessung nach Wandlung der optischen in elektri
sche Signale durch die optoelektronischen Wandler 6, 7 in der Auswerteeinrichtung
8. Daraus wird anschließend die Partikelgröße s durch Verrechnung mit der Partikel
geschwindigkeit v und mit der Dicke b des zweiten Lichtempfängers 5.1 (bei Verwen
dung des ersten Impulses 11) bzw. der Dicke a des Lichtempfängers 4.1 (bei Ver
wendung des zweiten Impulses 12) nach bekannten Beziehungen berechnet, ausge
geben bzw. angezeigt.
In einer abweichenden Variante gemäß Fig. 4 kann die kreisringförmige Lichtemp
fangsfläche des (zweiten) Lichtempfängers aus einer Mehrzahl von Lichtempfängern
5.2, 5.3 . . . bestehen, wobei jeder dieser Lichtempfänger 5.2, 5.3 . . . auf einen geson
derten optoelektronischen Wandler 7.1, 7.2 . . . (nicht dargestellt) geführt ist. Diese
Ausführungsvariante ermöglicht die selektive Erkennung der Bewegungsrichtung je
der Partikel 3 in der Zeichenebene der Fig. 4 (x, y-Koordinatensystem) und damit die
dementsprechende Bestimmung von Geschwindigkeit v und Größe s.
Wenngleich auch die kreisringförmige Gestaltung der Lichtempfangsflächen lt. Fig. 2
und 4 besonders zweckmäßig ist, sind jedoch im Rahmen der Erfindung auch andere
Formen möglich und realisierbar.
Gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels (Fig. 5) ist zwecks Erfassung der von
bewegten Partikeln 3 reflektierten optischen Signale die Beleuchtungseinrichtung in
der optischen Wirkungsfläche 1.1 angeordnet. Dazu sind in einer vorteilhaften Aus
führungsform den Lichtempfängern 4.1, 5.1 optische Y-Koppler 13, 14 zugeordnet,
über die eine Lichtquelle 9.1 unter Verwendung von Lichtleitfasern 15 richtungsse
lektiv eingekoppelt ist.
Dadurch erfolgt die Beleuchtung der Partikeln 3 über die Lichtempfänger 4.1, 5.1. Die
reflektierten optischen Signale werden von denselben Lichtempfängern 4.1, 5.1
empfangen und an die optoelektronischen Wandler 6, 7 weitergeleitet.
Die Auswertung der Ausgangssignale erfolgt analog zum ersten Ausführungsbei
spiel, so daß auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.
Diese Ausführungsvariante ermöglicht eine besonders kleine und kompakte Sonden
bauform und ist deshalb für bestimmte Anwendungsfälle mit ausgesprochen hohen
Genauigkeitsanforderungen zweckmäßig.
Claims (4)
1. Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Größe von Partikeln
in transparenten Medien oder im Vakuum, wobei die Partikeln in einem Meß
volumen mit Primärlicht einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet werden und
das durch die Partikeln beeinflußte Licht auf zwei Lichtempfänger abgebildet
wird, die nebeneinander in Bewegungsrichtung der Partikeln angeordnet und
auf optoelektronische Wandler geführt sind, und wobei aus Zeitmessungen der
der Passage der Lichtempfänger durch die Partikeln entsprechenden Aus
gangssignale der Wandler die Geschwindigkeit und die Größe der Partikeln
bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise kreisförmige Lichtempfangs
fläche des ersten Lichtempfängers (4.1) konzentrisch von einer vorzugsweise
kreisringförmigen Lichtempfangsfläche des zweiten Lichtempfängers (5.1)
umgeben ist, und jedem Lichtempfänger (4.1; 5.1) ein optoelektronischer
Wandler (6; 7) zugeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise
kreisringförmige Lichtempfangsfläche des zweiten Lichtempfängers aus ein
zelnen Lichtempfängern (5.2; 5.3; 5.4 . . .) besteht, denen jeweils gesonderte
optoelektronische Wandler (7.1; 7.2; 7.3 . . .) zugeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auswertung
des von den Partikeln (3) reflektierten Lichts die Lichtempfänger (4.1; 5.1) als
Lichtwellenleiter ausgeführt sind und selbst die Beleuchtungseinrichtung bil
den, indem eine Lichtquelle (9.1) über optische Y-Koppler (13; 14) in beide
Lichtempfänger (4.1; 5.1) richtungsselektiv eingekoppelt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
leuchtungseinrichtung (9; 10) eine Parallelisierungsoptik (10) zur Erzeugung
von parallelem Primärlicht aufweist und entweder zusammen mit den Licht
empfangsflächen der Lichtempfänger (4.1; 5.1; 5.2; 5.3; 5.4 . . .) in einer das
Meßvolumen begrenzenden optischen Wirkungsfläche (1.1) oder unter Ein
schluß des Meßvolumens in einer Wandfläche (2) den Lichtempfangsflächen
gegenüber angeordnet ist.
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