DE19954702A1 - Arrangement to measure particle, drop or bubble size or other characteristic in fluid flow; has light source and detectors for defocused imaging of interference pattern, and particles in bright points - Google Patents

Abstract

The arrangement has a light source (A) to illuminate one or more areas and one or more planar or linear detectors for defocused imaging of the interference pattern and particles in the bright points of the pattern. Each different interference pattern is generated from two or more bright points of one and the same scattered light arrangement, where multiple solutions of a scattered light arrangement are included. An Independent claim is included for a method to determine particle diameter, refractive index, asphericity, oscillation characteristics, rotation speed of aspherical particles or inner construction of particle, drop, bubble, etc. or inhomogeneity in flow.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 2.The invention relates to an apparatus and a method according to the Preamble of claims 1 and 2.

Die Erfindung liegt im Bereich der Partikelmeßtechnik, wobei unter Partikeln/Teilchen sowohl Feststoffteilchen als auch Tropfen und Blasen zu verstehen sind. Derzeitige Meßgeräte für die Bestimmung der Teilchengröße werden grob in zwei Kategorien eingeordnet: Integralverfahren, wie z. B. Beugungsspektrometer und Zählverfahren, wie z. B. die Phasen-Doppler-Meßtechnik [1, 2]. Integralverfahren messen die gesamte Verteilung der Partikelgrößen, ordnen den Einzelteilchen jedoch nicht konkrete Durchmesserwerte zu.The invention lies in the field of particle measurement technology, with particles / particles Solid particles as well as drops and bubbles are to be understood. Current Measuring devices for determining particle size are roughly divided into two categories classified: integral methods, such as B. diffraction spectrometer and counting method, such as B. the phase Doppler measurement technique [1, 2]. Integral methods measure that overall distribution of particle sizes, but do not order the individual particles concrete diameter values.

Zählverfahren detektieren und messen einzelne Partikel, normalerweise mit einer gleichzeitigen Erfassung der Geschwindigkeit, so daß nicht nur Verteilungsfunktionen der Teilchengrößen ermittelt werden können sondern auch Korrelationen zwischen Teilchengröße und -geschwindigkeit sowie Volumen- /Massenkonzentrationen und Anzahl-Volumen-/Massendurchsatz.Counting methods detect and measure individual particles, usually with one simultaneous detection of the speed, so that not only Distribution functions of the particle sizes can also be determined Correlations between particle size and speed as well as volume / Mass concentrations and number volume / mass throughput.

Alle derzeitigen Zählverfahren zur Bestimmung der Partikelgröße messen in räumlichen Sinne lokal, d. h. über ein verhältnismäßig kleines Meßvolumen im Verhältnis zum Teilchenabstand. Des weiteren sind diese Verfahren damit nicht in der Lage mehr als ein Teilchen zu einem Zeitpunkt zu erfassen.Measure all current counting methods for determining the particle size in spatial sense locally, d. H. over a relatively small measuring volume in Relationship to particle spacing. Furthermore, these procedures are not in able to capture more than one particle at a time.

Phasen-DopplerPhase Doppler

Beispiel hierfür ist die Phasen-Doppler- (PD-) Meßtechnik. Die PD-Meßtechnik baut auf der Laser-Doppler (LD-) Meßtechnik auf. Bei der LD-Meßtechnik erzeugen zwei sich kreuzende Laserstrahlen in Ihrem Schnittbereich ein Meßvolumen. Durchquert ein Teilchen dieses Meßvolumen breiten sich zwei Streuwellen, jeweils zu den beiden Laserstrahlen gehörend, im Raum aus und interferieren miteinander. Ein beliebig positionierten Empfänger nimmt die in den Raum gestreute Lichtintensität wahr. Aufgrund der Interferenz der Streuwellen und der Bewegung des Teilchens streichen die Interferenzstreifen über den Empfänger. Die vom Empfänger detektierte Frequenz ist proportional der Geschwindigkeit des Teilchens [3, 4].An example of this is phase Doppler (PD) measurement technology. The PD measurement technology is building on the laser Doppler (LD) measurement technology. In LD measurement technology, two produce intersecting laser beams in your cutting area a measuring volume. Crosses a particle of this measurement volume spread two scatter waves, each to the  belonging to both laser beams, in space and interfering with each other. On The receiver is positioned anywhere and takes the light intensity scattered into the room true. Due to the interference of the stray waves and the movement of the particle sweep the interference fringes over the receiver. The one from the recipient detected frequency is proportional to the speed of the particle [3, 4].

Die Erweiterung der LD-Technik zur PD-Technik beinhaltet einen weiteren an einer anderen Stelle positionierten Detektor. Beide Detektoren bestimmen zu einem Zeitpunkt unterschiedliche Phasenlagen des im Raum vorhandenen Interferenzfeldes. Da der räumliche Streifenabstand vom Abstand der beiden Austritts- Quell- oder Glanzpunkte (Glare points) der Streuwellen und damit vom Partikeldurchmesser abhängig ist, läßt sich mit einer Phasendifferenzmessung zwischen den beiden Detektoren der Partikeldurchmesser bestimmen. Im Falle einer dominierenden Streulichtordnung, ist die Beziehung zwischen Phasendifferenz und Partikeldurchmesser für Partikel größer gleich der Wellenlänge linear, was eine Bestimmung des Partikeldurchmesser ermöglicht [1, 2].The expansion of LD technology to PD technology includes another one elsewhere positioned detector. Both detectors determine one Different phases of the existing in the room Interference field. Because the spatial stripe distance from the distance between the two Exit, source or glare points of the scattering waves and thus from Particle diameter is dependent, can be measured with a phase difference Determine the particle diameter between the two detectors. In case of a dominant stray light order, is the relationship between phase difference and Particle diameter for particles greater than or equal to the wavelength linear, which is a Determination of the particle diameter enables [1, 2].

Nachteile der PD-TechnikDisadvantages of PD technology

Die PD-Meßtechnik setzt verschiedene Bedingungen für die Bestimmung der Partikelgröße voraus. Die Partikel müssen sphärisch und homogen sein. Das empfangene Streulicht darf nur von einer Streulichtordnung herrühren. Des weiteren darf sich jeweils nur ein Partikel im Schnittbereich der einfallenden Wellen aufhalten, bzw. das vom Empfänger detektierte Signal darf nur Streulicht eines Partikels enthalten. Gerade die letzte Bedingung beinhaltet, daß das PD-Meßverfahren ein räumlich sehr kleines, quasi punktförmiges, Meßvolumen voraussetzt.PD measurement technology sets various conditions for determining the Particle size ahead. The particles must be spherical and homogeneous. The received scattered light may only come from a scattered light order. Furthermore there may only be one particle in the intersection of the incident waves, or the signal detected by the receiver may only contain scattered light from a particle contain. The very last condition implies that the PD measurement method is a spatially very small, quasi punctiform measurement volume.

Es besteht jedoch großer Bedarf für sog. Flächenmeßverfahren, d. h. Verfahren, die über eine gesamte Ebene Teilchengröße und -geschwindigkeit erfassen.However, there is a great need for so-called area measurement methods, i. H. Procedures that Acquire particle size and velocity over an entire level.

Particle-Image-VelocimetrieParticle image velocimetry

Ein Verfahren zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsfeldes ist die Particle-Image- Velocimetrie (PIV) [5]. Die in einem Medium vorhandenen Partikeln werden mit einem Lichtschnitt beleuchtet. Mit einer Kamera kann zu zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ein Bereich dieses Lichtschnittes aufgenommen werden. Bei bekanntem zeitlichen Abstand der Aufnahmen kann anhand der Verschiebung der Partikeln deren Geschwindigkeit ermittelt werden. Sind eine gewisse Anzahl von Partikeln in den beiden Aufnahmen zu erkennen, so läßt sich ein Geschwindigkeitsfeld bestimmen. Die PIV-Technik ist demnach ein Flächenmeßverfahren für die Geschwindigkeit.One method for determining a speed field is the particle image Velocimetry (PIV) [5]. The particles present in a medium are included illuminated with a light section. With one camera, two can be consecutive At times, an area of this light section can be recorded. With known The time interval of the recordings can be based on the displacement of the particles whose speed can be determined. Are a certain number of particles in To recognize the two pictures, a speed field can be seen determine. The PIV technique is therefore an area measurement method for the Speed.

Nachteil PIVDisadvantage PIV

Entscheidender Nachteil der PIV ist, daß Partikelgrößenmessungen nicht möglich sind, da die Kamera auf den Lichtschnitt fokussiert ist und durch die Beleuchtung mittels einer Quelle die Partikelumrisse nicht erkannt werden können. The crucial disadvantage of the PIV is that particle size measurements are not possible because the camera is focused on the light section and the lighting the particle outlines cannot be recognized by means of a source.  

Für die flächenhafte Bestimmung des Partikeldurchmesser sind in jüngster Zeit zwei Anordnungen und Verfahren entwickelt worden, die als sehr nahestehend zur vorliegenden Erfindung zu betrachten sind.There have recently been two for the areal determination of the particle diameter Arrangements and procedures have been developed that are very closely related to present invention are to be considered.

Planar Interferometric Imaging (PII)Planar Interferometric Imaging (PII)

Die erste Entwicklung, genannt Planar Interferometric Imaging, ist inzwischen unter verschiedenen Namen bekannt, darunter Planar Mie Scattering Interferometry, Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing, Mie Scattering Imaging und Planar Particle Image Analysis [6-14].The first development, called Planar Interferometric Imaging, is now under known by various names, including Planar Mie Scattering Interferometry, Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing, Mie Scattering Imaging and Planar Particle Image Analysis [6-14].

Es nutzt die Interferenz zweier Streuordnungen der Lorenz-Mie-Streuung von kleinen Partikeln, um dadurch deren Größe zu bestimmen. Bisher liegen Ausführungen vor, bei denen die Interferenz zwischen Reflexion und Brechung erster Ordnung genutzt wird. Die Streuung kommt von einem durch die disperse Zweiphasenströmung gespannter Laserlichtschnitt. Das Streulicht wird bei einem Streuwinkel nahe 90 Grad aufgenommen, da die Streuamplitude der zwei genannten Ordnungen bei diesem Winkel für paralleler Polarisation nahezu gleich ist. Ein Flächendetektor, typischerweise eine CCD-Kamera wird außerhalb der Bildebene der Aufnahmeoptik positioniert, so daß die einzelnen Teilchen nicht im Fokus erscheinen. Aufgrund der zwei Streulichtordnungen existieren zwei sogenannte Glanzpunkte (glare points), Punkte auf der Partikeloberfläche an deren Stelle das Licht in Richtung des Detektors austritt. Die Interferenz der beiden Streuwellen führt zu einem Interferenzstreifensystem im Raum. Mit einem auf die Lichtschnittebene fokussierten Flächendetektor lassen sich diese beiden Glanzpunkte direkt abbilden. Ist der Flächendetektor jedoch so angeordnet, daß eine defokussierte Abbildung der Glanzpunkte entsteht sind die räumlichen Interferenzstreifen innerhalb eines von der Blendenform der Kamera abhängigen Umrisses erkennbar. Der Umriß ist von der Blendenform und Größe abhängig. Weiterhin ist der Umriß größer je stärker die Defokussierung ist, bzw. je weiter die Teilchen vom Fokuspunkt der Empfangsoptik entfernt sind. Der Abstand der Interferenzstreifen innerhalb des Umrisses ist für eine feste Defokussierung proportional dem Teilchendurchmessers. Ein direktes Maß für den Partikeldurchmesser ist die Anzahl der Streifen innerhalb des Umrisses.It uses the interference of two scattering orders of the Lorenz-Mie scattering of small ones Particles to determine their size. So far, there are versions where the interference between reflection and first order refraction is used becomes. The scatter comes from a through the disperse two-phase flow tense laser light cut. The scattered light becomes at a scattering angle close to 90 Degrees recorded, since the scattering amplitude of the two orders mentioned at this angle is almost the same for parallel polarization. An area detector, Typically a CCD camera is outside the image plane of the optical system positioned so that the individual particles do not appear in focus. Due to the two scattered light orders exist two so-called glare points, Points on the particle surface where the light points in the direction of the Detector emerges. The interference of the two stray waves leads to one Interference fringe system in space. With one focused on the light section plane Area detector, these two highlights can be imaged directly. Is the However, the area detector is arranged so that a defocused image of the Highlights are the spatial interference fringes within one of the Aperture shape of the camera dependent outline recognizable. The outline is of the Aperture shape and size dependent. Furthermore, the larger the outline, the stronger the Defocusing, or the further the particles from the focal point of the receiving optics are removed. The distance of the interference fringes within the outline is for one fixed defocusing proportional to the particle diameter. A direct measure of The particle diameter is the number of stripes within the outline.

Der Brechungsindex ist ein weiterer Einflußparameter und wird normalerweise als gegeben angesehen. Eine Kalibrierung des Verfahrens ist prinzipiell nicht erforderlich, allerdings u. U. zweckmäßig, um z. B. die Einflüsse der Abbildungsoptik zu erfassen.The refractive index is another influencing parameter and is usually called given given. In principle, the method is not calibrated required, however u. U. appropriate to z. B. the influences of imaging optics capture.

Da für die Aufnahme ein flächenhafter Detektor eingesetzt wird ist die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Partikel auf einem Bild, ähnlich einer Aufnahme der PIV-Technik möglich.Since a flat detector is used for the recording, the simultaneous one is Image of several particles on one image, similar to an image of the PIV technique possible.

Um eine momentane Messung aller im Bild erfaßten Teilchen zu sichern, wird als Beleuchtung ein gepulster Laser eingesetzt, dessen Pulsbereiche mit den Teilchengeschwindigkeiten abgestimmt werden muß.To ensure a momentary measurement of all particles recorded in the image, is used as Illumination uses a pulsed laser, the pulse areas of which with the Particle speeds must be matched.

Noch nicht realisiert ist eine Ausführung des Verfahrens mit einer Doppelpulsbeleuchtung, um somit auch die Teilchengeschwindigkeit mit den bekannten PIV (Partikel Image Velocimetry)-Verfahren zu erfassen. Prinzipiell steht jedoch hierzu nichts im Wege. The method has not yet been implemented with a Double pulse lighting, so that the particle speed with the known PIV (particle image velocimetry) method. In principle stands however, nothing stands in the way of this.  

Nachteile von PIIDisadvantages of PII

Das PII-Verfahren hat drei einschränkende Nachteile, die mit der neuen Erfindung behoben werden sollen. Der erste Nachteil betrifft die Streurichtung, in der das Streulicht aufgefangen werden muß. Der zweite Nachteil bezieht sich auf die Monotonie der Partikeldurchmesser-Interferenzstreifenabstand-Beziehung. Der dritte Nachteil betrifft die Signalverarbeitung zur genauen Bestimmung des Partilkeldurchmessers und zur Bestimmung weiterer Partikeleigenschaften.The PII process has three limiting disadvantages with the new invention should be fixed. The first disadvantage concerns the direction in which the Scattered light must be collected. The second disadvantage relates to that Monotonicity of particle diameter-fringe relationship. The third Disadvantage concerns the signal processing for the exact determination of the Particle diameter and for determining other particle properties.

Die PII-Technik fordert, daß stets die Interferenz zwischen Brechung und Reflexion zur Messung verwendet werden muß. Um einen hohen Modulationsgrad in den Interferenzstreifen zu erreichen sollte die Streuamplitude von Brechung und Reflexion etwa gleich sein. Dies stellt eine Einschränkung an den möglichen Winkelbereich zur Positionierung des Flächendetektors dar. Für einen Brechungsindex von 1.33 (Wasser in Luft) und parallele Polarisation ist dies gerade ein Streuwinkel von 90°, in dem die Streulichtintensität nicht sehr stark ist.The PII technique always requires the interference between refraction and reflection must be used for measurement. To achieve a high degree of modulation in the Interference fringes should reach the scattering amplitude of refraction and Reflection be about the same. This places a limitation on the possible Angular range for positioning the area detector. For one This is just the refractive index of 1.33 (water in air) and parallel polarization a scattering angle of 90 ° in which the scattered light intensity is not very strong.

In jüngster Zeit sind jedoch verschiedene Ausführungen von PIV-Verfahren vorgestellt worden, die alle drei Geschwindigkeitskomponenten erfassen und dabei Kamerapositionen von z. B. 60° und 120° zur Lichteinfallsrichtung verwenden [17]. Eine Kombination der PII-Verfahren und PIV-Verfahren zwecks Messung der Teilchengröße und -geschwindigkeit wäre somit nicht möglich.Recently, however, there have been various versions of PIV procedures have been presented, which capture all three speed components and thereby Camera positions of e.g. B. 60 ° and 120 ° to the direction of light use [17]. A combination of the PII method and PIV method to measure the Particle size and speed would not be possible.

Ein zweiter, unmittelbar aus der Verwendung der Interferenz der beiden Streulichtordnungen Reflexion und Brechung folgender Nachteil, bezieht sich auf den Zusammenhang zwischen Streifenabstand, bzw. Streifenanzahl im Umriß und dem Partikeldurchmesser. Da zwei unterschiedliche Streulichtordnungen verwendet werden ist die Monotonie, bzw. sogar Linearität zwischen Streifenabstand und Partikeldurchmesser nicht gegeben. Erste Untersuchungen hierzu wurden von Schaller [15] vorgestellt. Er berechnete die Glanzpunktpositionen der Brechung und Reflexion auf der Partikeloberfläche in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser und konnte starke Oszillation in der Beziehung nachweisen. Aufgrund der Oszillationen wird der Partikeldurchmesser-Interferenzstreifenabstand ähnlich wie bei der PD- Technik gestört und es treten Nichtlinearitäten auf, welche ein Partikeldurchmesserbestimmung verhindern können.A second, directly from the use of the interference of the two Scattered light reflection and refraction following disadvantage, refers to the relationship between strip spacing or number of strips in the outline and the particle diameter. Because two different scattered light orders are used is the monotony, or even linearity between strip spacing and Particle diameter not given. Initial investigations were carried out by Schaller [15] presented. He calculated the highlight positions of the refraction and Reflection on the particle surface depending on the particle diameter and was able to demonstrate strong oscillation in the relationship. Because of the oscillations the particle diameter interference fringe spacing is similar to that of the PD Technology disrupted and non-linearities occur, which occur Can prevent particle diameter determination.

Ein dritter Nachteil der PII-Technik betrifft die Auswertung der aufgenommen Bilder. Mit dem PII-Verfahren liegt die Teilchengrößeninformation im Abstand der Streifen in einer "Out-of-Fokus"-Abbildung der Teilchen. Da die Abbildung aller Teilchen gleich groß sind, kann die Teilchengröße auch über die Anzahl der Streifen ermittelt werden. Verschiedene Auswertungsverfahren sind vorgestellt, die im wesentlichen eine möglichst hohe Genauigkeit dieser Parameterbestimmung erlauben, wobei die verhältnismäßig kurze Ausdehnung der Abbildung eine prinzipielle einschränkende Grenze darstellt. Grundsätzlich ist eine Frequenz- (oder Wellenzahl)- bestimmung von Signalen kurzer Dauer mit erhöhter Unsicherheit verbunden. Diese schlägt sich in einer Begrenzung des Auflösungsvermögens der Teilchengröße nieder bzw. in der Erhöhung der Varianz der Größenbestimmung. A third disadvantage of the PII technique concerns the evaluation of the pictures taken. With the PII method, the particle size information lies in the distance between the stripes an "out-of-focus" image of the particles. Since the mapping of all particles is the same are large, the particle size can also be determined from the number of strips become. Different evaluation methods are presented, which are essentially allow the highest possible accuracy of this parameter determination, the relatively short extension of the figure is a limiting principle Represents border. Basically a frequency (or wavenumber) is determined of signals of short duration associated with increased uncertainty. This strikes in a limitation of the resolving power of the particle size Increase variance in sizing.  

Die zweite Entwicklung nennt sich Planar LIF Technique und wird kommerziell angeboten. In diesem Fall muß die zu messende disperse Phase (Teilchen) einen fluoreszierenden Zusatz erhalten, der vom Beleuchtungslichtschnitt angeregt wird. Der auch bei ca. 90 Grad positionierte Aufnahmeoptik beinhaltet zwei Flächendetektoren, die mittels Schmalbandfiltern zwischen direkte Streulicht durch die Lorenz-Mie-Streuung und das fluoreszierende Licht unterscheidet. Die Amplitude der zwei Anteile ist in etwa dem Teilchendurchmesser im Quadrat bzw. zur dritten Potenz proportional, so daß das Verhältnis der zwei Amplituden der Kenngröße D32 (Sauter mean diameter) proportional ist. Das Amplitudenverhältnis der zwei Bilder wird nach einer zeitlichen Mittelung rechnerisch gebildet. Das Verfahren benötigt eine Kalibrierung, hat nur Anwendungen für Flüssigkeitstropfen und gibt keine Auskunft über Einzeltropfen. Somit ist dieses Verfahren mit der vorliegenden Erfindung nicht sehr eng verwandt, obwohl eine ähnliche Zielsetzung verfolgt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, die dargestellten Nachteile der PII-Technik:
The second development is called Planar LIF Technique and is offered commercially. In this case, the disperse phase (particles) to be measured must receive a fluorescent additive which is excited by the illuminating light section. The optical system, which is also positioned at approx. 90 degrees, contains two surface detectors, which uses narrow-band filters to distinguish between direct stray light from Lorenz-Mie scattering and fluorescent light. The amplitude of the two components is roughly proportional to the particle diameter squared or to the third power, so that the ratio of the two amplitudes is proportional to the parameter D32 (Sauter mean diameter). The amplitude ratio of the two images is computed after averaging over time. The method requires calibration, has only applications for liquid drops and gives no information about individual drops. Thus, this method is not very closely related to the present invention, although a similar objective is pursued. The object of the invention is to address the disadvantages of the PII technique:

• - beschränkte Wahl des Empfängerwinkels,- limited choice of the receiver angle,
• - Nichtmonotonie in der Streifenanzahl- bzw. Streifenabstands-Durchmesser- Beziehung- Non-monotony in the number of strips or the distance between strips - relationship
• - Ungenauigkeiten in der Streifenanzahl- bzw. Streifenabstands- Bestimmung- Inaccuracies in the number of strips or strip spacing determination

zu beheben und eine Erweiterung der PII-Technik zur Bestimmung
to fix and an extension of the PII technique for determination

• - der Nichtsphärizität von Partikeln- the non-sphericity of particles
• - der Oszillationsfrequenz von Partikels- the oscillation frequency of particles
• - des Brechungsindex- the refractive index
• - des inneren Aufbaus der Partikel- the internal structure of the particles

durch Kombination mit den Vorteilen der Phasen-Doppler-Technik
by combining it with the advantages of phase Doppler technology

• - Monotonie in der Phasendifferenz-Durchmesserbeziehung- Monotonicity in the phase difference-diameter relationship

und der Particle-Image-Velocimetrie-Technik
and the particle image velocimetry technique

• - zwei zur Verfügung stehenden Abbildungen der Partikel an unterschiedlichen Stellen zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit- two available images of the particles different places to determine the particle velocity

zu ermöglichen.to enable.

Diese Aufgaben werden durch eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 2 gelöst.These tasks are accomplished through an arrangement and procedure with the Features of claims 1 and 2 solved.

Zunächst wird eine beliebige Vorrichtung vorgeschlagen die eine flächen- oder volumenhafte Teilcheneigenschaftsmessung über eine oder mehr defokussierte Abbildungen von zwei oder mehr Glanzpunkten (Glare points) gleicher Streulichtordnung pro Abbildung ermöglicht.First of all, any device is proposed which is surface or volumetric particle property measurement over one or more defocused Images of two or more glare points of the same Scattered light order per image enables.

In den beispielhaften Fällen der Brechung und der Reflexion bedarf dies zwei oder mehr Einfallsstrahlen. Für höhere Streulichtordnungen ist das Vorhandensein von zwei oder mehr Glanzpunkten (zwei oder mehrere Streulichtmoden) ein und derselben Streulichtordnung, bzw. das Vorhandensein eines Regenbogens, bei einem oder mehreren einfallenden Strahl ausdrücklich miteingeschlossen. Es ist die Nutzung mehrerer Aufnahmeeinheiten, sprich mehrerer Abbildungen desselben Raumbereiches mit für die einzelnen Abbildungen unterschiedlichen Streulichtordnungen, aber innerhalb der Abbildungen gleichen Streulichtordnungen, eingeschlossen. In the exemplary cases of refraction and reflection, this requires two or more more rays of incidence. For higher stray light orders, the presence of two or more highlights (two or more scattered light modes) one and the same scattered light order, or the presence of a rainbow, at expressly included one or more incident beams. It is the use of multiple recording units, i.e. multiple images of the same Area with different for the individual images Scattered light orders, but identical scattered light orders within the figures, locked in.  

Weiterhin wird ein Verfahren vorgeschlagen welches die Interferenzstreifenbeziehungen in den defokussierten Abbildungen einer PIV-artigen Ein- oder Mehrpulsbelichtung, wobei unter Abbildungen jeweils ein Interferenzstreifenmuster von zwei Glanzpunkten, nicht unbedingt der gleichen Ordnung, verstanden wird, zur Erhöhung der Genauigkeit der Partikeldurchmesserbestimmung und zur Bestimmung anderer Partikeleigenschaften, wie Brechungsindex, Nichtsphärizität, Inhomogenität, Rotationsgeschwindigkeit und Partikeloszillationen nutzt.Furthermore, a method is proposed which the Interference fringe relationships in the defocused images of a PIV-like Single or multi-pulse exposure, with one each under illustrations Interference fringe patterns from two highlights, not necessarily the same Order, is understood to increase the accuracy of the Particle diameter determination and for the determination of others Particle properties, such as refractive index, non-sphericity, inhomogeneity, Uses rotational speed and particle oscillations.

Dieses Verfahren ist sowohl für die Auswertung von herkömmlichen PII-Bildern als auch für die Auswertung von Bildern der oben angegebene Vorrichtung anwendbar. Die Erhöhung der Genauigkeit bzw. die Bestimmung weiterer Partikeleigenschaften kann auch bei nur einer Belichtung erfolgen wenn gleichzeitig zwei Abbildungen aufgenommen werden und diese getrennt werden können, z. B. durch Polarisationstrennung, Farbtrennung oder Ortsfrequenztrennung (z. B. Interferenzstreifenrichtung und Interferenzstreifenfrequenz).This method is used for both the evaluation of conventional PII images also applicable for the evaluation of images of the device specified above. The increase in accuracy or the determination of further particle properties can also be done with only one exposure if two images are simultaneously can be included and these can be separated, e.g. B. by Polarization separation, color separation or spatial frequency separation (e.g. Fringe direction and fringe frequency).

Vorteile der VorrichtungAdvantages of the device

Die vorgeschlagene Vorrichtung nutzt die Interferenz von Streuwellen gleicher Ordnung. Im Gegensatz zur PII-Technik mit Reflexion und Brechung können auch die Streuwinkelbereiche genutzt werden, in denen nur eine Ordnung dominiert, so z. B. für den Fall von Wasser in Luft (Brechungsindex 1.333) im Streuwinkelbereich von 15° bis 80° für den Brechungsmode. Die beiden das Interferenzfeld erzeugenden Glanzpunkte müssen für diesen Fall durch zwei einfallende Wellen erzeugt werden. Die Wellen können sowohl Lichtschnitte sein als auch räumlich ausgedehnte Wellen, welche ein Volumenbereich abgrenzen.The proposed device uses the interference of stray waves of the same type Order. In contrast to the PII technique with reflection and refraction, too the scattering angle ranges are used in which only one order dominates, so e.g. B. in the case of water in air (refractive index 1.333) in the scattering angle range from 15 ° to 80 ° for the refraction mode. The two the interference field Generating highlights in this case must be through two incident waves be generated. The waves can be light cuts as well as spatial extended waves that delimit a volume range.

Die Anordnung beschränkt sich jedoch nicht ausschließlich auf zwei einfallende Wellen, da z. B. die Brechung 2. Ordnung für Wasser in Luft (Brechungsindex 1.333) ab einem Streuwinkel von etwa 135° einen Regenbogen bildet. Für eine Positionierung des Detektors in diesem Streuwinkelbereich ist die Bedingung der Interferenz von zwei Streuwellen gleicher Ordnung bereits bei einer einfallenden Welle gegeben, da die Brechung 2. Ordnung zwei Lösungen in Rückwärtsstreuung besitzt. Allgemein wird dieser Bereich als Regenbogenbereich bezeichnet.However, the arrangement is not limited to two incident ones Waves because z. B. 2nd order refraction for water in air (refractive index 1,333) forms a rainbow from a scattering angle of approximately 135 °. For one Positioning the detector in this scattering angle range is the condition of Interference of two stray waves of the same order even with one incident Given the 2nd order refraction, there are two solutions in backscatter owns. This area is generally referred to as the rainbow area.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist die durch die Interferenz zwischen Streuwellen gleicher Ordnung zustande kommende Monotonie zwischen Partikeldurchmesser und Interferenzstreifenabstand, bzw. Interferenzstreifenzahl.Another advantage of the arrangement is that of the interference between stray waves monotony between particle diameter that occurs in the same order and fringe spacing, or fringe number.

Diese Eigenschaften folgen direkt aus den Grundlagen der PD-Technik, bzw. der Regenbogenmeßtechnik. Ein herkömmliches PD-Signal kann als integrierte Intensität einer einzigen Abbildung eines defokussierten Partikels betrachtet werden. Bei Bewegung des Partikels bewegt sich der defokussierte Umriß und streicht über das räumliche Interferenzstreifensystem. Durch die in den Umriß hinein- und hinauslaufen Interferenzstreifen wird das klassische PD-Signal erzeugt.These properties follow directly from the basics of PD technology, or the Rainbow measurement technology. A conventional PD signal can be integrated Intensity of a single image of a defocused particle. When the particle moves, the defocused outline moves and sweeps over the spatial interference fringe system. Through the in and out the classic PD signal is generated.

In der vorgeschlagenen Anordnung wird das defokussierte Bild, und nicht dessen Integration bzw. Fokussierung, erzeugt und aufgenommen. Vorteil ist dabei, daß die Linearitäteigenschaften der Beziehung Partikeldurchmesser- Interferenzstreifenabstand der PD-Technik mit der flächen- bzw. volumenhaften Aufnahme der PIV- und PII-Technik zur Geschwindigkeits- und Partikeldurchmesserbestimmung kombiniert werden. Der in der PD-Technik zeitlich aufgelöste Interferenzstreifenabstand und dessen Phasenbeziehung ausgewählten Punkten im Raum wird mit der vorgeschlagenen Anordnung örtlich auf dem Detektor abgebildet.In the proposed arrangement, the defocused image, and not its Integration or focusing, created and recorded. The advantage is that the Linearity properties of the relationship particle diameter Interference fringe spacing of the PD technology with the area or volume Inclusion of PIV and PII technology for speed and  Particle diameter determination can be combined. The one in time in PD technology resolved interference fringe spacing and its phase relationship selected Points in space are localized on the detector with the proposed arrangement pictured.

Ein flächenhafter Aufnehmer (z. B. CDD-Kamera) sieht gleichzeitig alle Teilchen, die sich innerhalb der überdeckten Laserlichtschnitte befinden. Wie beim PD- Meßverfahren kann nun auch ein Streuwinkel gewählt werden, dort wo eine Streuordnung von beiden Lichtschnitten dominiert. Alle zulässigen Meßwinkel des PD-Verfahrens sind somit geeignet.A flat sensor (e.g. CDD camera) sees all the particles at the same time are within the covered laser light cuts. As with the PD Measuring method can now also be selected a scattering angle, where one Scattering order dominated by both light sections. All permissible measuring angles of the PD methods are therefore suitable.

Die Kombination der flächenhafte Aufnahme mehrerer gestreuten Interferenzstreifensysteme mit der Regenbogenmeßtechnik ist ebenfalls möglich. Im Gegensatz zur Regenbogenmeßtechnik, bei der die Abbildung der Streulichtverteilung im Fernfeld zur Bestimmung des Partikeldurchmessers genutzt wird ist durch die defokussierte Abbildung eine gleichzeitige flächenhafte Aufnahme mehrerer Regenbögen und damit die gleichzeitige Bestimmung von Parametern, speziell des Partikeldurchmessers, mehrerer unterschiedlicher Partikel möglich.The combination of the extensive recording of several scattered Interference fringe systems with rainbow measurement technology are also possible. in the Contrary to the rainbow measuring technique, in which the illustration of the Scattered light distribution in the far field is used to determine the particle diameter is due to the defocused image a simultaneous areal image several rainbows and thus the simultaneous determination of parameters, especially the particle diameter, several different particles possible.

Die neue Anordnung ermöglicht auch die Ausführung mit mehreren Kameras, um dadurch drei Geschwindigkeitskomponenten zu messen. Typische Anordnungen hierfür wäre in Raffel et. al 1998 zu sehen, wie z. B. eine stereoskopische Anordnung oder die Anordnung in Willert (1998) beschrieben.The new arrangement also allows multiple cameras to be used thereby measuring three speed components. Typical arrangements for this would be in Raffel et. al 1998 to see how B. a stereoscopic arrangement or the arrangement described in Willert (1998).

Die optische Auslegung des Systems stellt weitgehend die gleichen Anforderungen bezüglich Schnittwinkel der Laserlichtschnitte, Streuwinkel, Abhängigkeit vom Brechungsindex etc., wie bei der Phasen-Doppler-Meßtechnik (PD).The optical design of the system largely places the same requirements with regard to the cutting angle of the laser light cuts, scattering angle, dependence on Refractive index etc., as in the phase Doppler measurement technique (PD).

Durch Veränderung des Schnittwinkels der beiden einfallenden Wellen und damit Veränderung des Interferenzstreifenabstandes ist es möglich im Gegensatz zur PII-Technik die Auflösung bzw. den Meßbereich der Anordnung zu verändern.By changing the cutting angle of the two incident waves and thus It is possible to change the interference fringe spacing in contrast to PII technology to change the resolution or the measuring range of the arrangement.

Ein weiterer Vorteil bei Nutzung von zwei oder mehr einfallenden Wellen, welcher das vorgeschlagene Verfahren zur Auswertung unterstützt, ist, daß das von den Streuwellen erzeugte und auf die Detektor defokussierte Abbild des Interferenzstreifensystem, aufgrund der zwei unabhängig einfallenden Wellen, in der Bildebene örtlich stationär ist bzw. dessen Bewegung durch die bekannten Gesetzte der PD-Technik berechnet werden kann.Another advantage when using two or more incident waves, which one The proposed method of evaluation supports that the Scattered waves generated and defocused image of the detector Interference fringe system, due to the two independently incident waves in the Image plane is locally stationary or its movement by the known laws the PD technology can be calculated.

Durch die örtliche Auflösung des Interferenzstreifenmusters im Vergleich zur PD-Technik ist es möglich andere Partikeleigenschaften aus der Lage und Form der Interferenzstreifen zu bestimmen.Due to the local resolution of the interference fringe pattern compared to the PD technology allows other particle properties from the location and shape of the To determine interference fringes.

Aus der Deformation der Interferenzstreifen läßt sich auf deformierte, inhomogene bzw. rauhe Partikel schließen. Ändert sich der mit dem Interferenzstreifenabstand gekoppelte Partikeldurchmesser von einer Belichtung zur nächsten so kann anhand von Zwei- oder Mehrfachbelichtungen auf die Osziallation der Partikel geschlossen werden.From the deformation of the interference fringes can be deformed, inhomogeneous or close rough particles. The changes with the interference fringe spacing coupled particle diameter from one exposure to the next so can be based on from double or multiple exposures concluded that the particles were oscillated become.

Ein und dasselbe Interferenzstreifensystem kann von unterschiedlichen Flächendetektoren an unterschiedlichen Raumpositionen erfaßt werden und aus den zusätzlichen Validierungsaussagen, bzw. Aussagen über weitere Partikeleigenschaften, wie Brechungsindex, innere Struktur, Deformation oder Rauigkeit abgeleitet werden. Diese Aussagen sind auch bei Verwendung von mehr als zwei Streifensystemen, die jeweils durch eine Streulichtordnung erzeugt werden, und Trennung der Abbildungen durch Polarisation, Farbe oder Ortsfrequenzbestimmung (z. B. Interferenzstreifenrichtung und Interferenzstreifenfrequenz) ableitbar.One and the same interference fringe system can be different Area detectors are detected at different room positions and from the additional validation statements, or statements about others Particle properties such as refractive index, internal structure, deformation or Roughness can be derived. These statements are even when using more as two stripe systems, each created by a scattered light order,  and separation of the images by polarization, color or Determination of spatial frequency (e.g. interference fringe direction and Interference fringe frequency).

Weiterhin können Komponenten aus der PD-Technik, wie z. B. Shiftung der einfallenden Wellen, orthogonale Orientierung verschiedener Interferenzstreifensysteme und/oder Empfänger zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und der Bestimmung weiterer Partikelparameter beitragen. Die Nutzung dieser Effekte.Furthermore, components from PD technology, such as. B. Shifting the incident waves, orthogonal orientation of different Interference fringe systems and / or receivers to increase the measuring accuracy and contribute to the determination of further particle parameters. The use of this Effects.

Vorteile des VerfahrensAdvantages of the procedure

Die zweite Idee verknüpft sich mit der Anwendung einer Doppel- oder Mehrfachbelichtung, um u. a. eine PIV-artige Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit zu ermöglichen. Unter Doppler- oder Mehrfachbelichtung ist jedoch auch die, von der PIV-Technik unabhängige gleichzeitige Erzeugung von zwei oder mehr unterschiedlichen Interferenzstreifensystemen zu verstehen. Eine wichtige Erkenntnis, um das neue Verfahren zu verstehen, liegt in der Tatsache, daß die örtlich abgebildete Phase der Interferenzstreifen für alle Teilchenpositionen gleich bleibt, bzw. über die Gesetzte der PD-Technik berechenbar ist. Wird zweimal belichtet, so entstehen zwei "Out-of-Focus"-Abbildungen für jedes einzelne Teilchen, welche sich im Zeitintervall der Belichtungen innerhalb der Lichtschnitte aufhalten. Abhängig von der Teilchengeschwindigkeit und der Zeit zwischen den Belichtungen, können die Abbildungen überlappen oder getrennt sein. Bei gerade noch überlappenden Abbildungen senkrecht zur Streifenausrichtung stehen nun doppelt so viele Interferenzstreifen zur Verfügung, um deren Abstand (oder Zahl) zu bestimmen. Sind die Abbildungen getrennt, erhöht sich gar die Gesamtanzahl der Streifen und somit die Meßgenauigkeit. In diesem Fall muß die Anzahl der nicht sichtbaren Streifen zwischen den Abbildungen über grobe Vorausschätzung des Streifenabstandes und Bewegung des Streifenmusters mit der Partikelposition ermittelt werden. Daher läßt sich die Meßgenauigkeit der Teilchengröße sogar über die Zeit zwischen Belichtungen bestimmen. Dies muß jedoch in Einklang mit der Anforderung der PIV-Meßtechnik zur Teilchenbestimmung gebracht werden. Dieses Auswertungsverfahren ist sowohl für das PII-Verfahren als auch für das neue Verfahren anwendbar.The second idea is linked to the application of a double or Multiple exposure to u. a. a PIV-like determination of Enable particle velocity. Under Doppler or multiple exposure is but also the simultaneous generation of. independent of the PIV technique to understand two or more different interference fringe systems. A important insight to understand the new process lies in the fact that the localized phase of the interference fringes for all particle positions remains the same, or can be calculated using the laws of PD technology. Will be twice exposed, two "out-of-focus" images are created for each individual particle, which are within the light sections in the time interval of the exposures. Depending on the particle speed and the time between exposures, the images may overlap or be separate. At just yet overlapping images perpendicular to the stripe alignment are now double so many fringes available to change their distance (or number) determine. If the images are separated, the total number of Stripes and thus the measuring accuracy. In this case, the number of not visible stripes between the pictures about rough forecast of the Strip spacing and movement of the strip pattern with the particle position be determined. Therefore, the measurement accuracy of the particle size can even be over determine the time between exposures. However, this must be in line with the Requirement of the PIV measurement technology for particle determination. This Evaluation procedure is both for the PII procedure and for the new one Procedure applicable.

Dieses Verfahren, der Genauigkeitserhöhung der Partikeldurchmesserbestimmung durch die Beziehung der Einzelabbildungen untereinander funktioniert dann, wenn die Teilchenbewegungen senkrecht zur Streifenrichtung steht. Dies stellt Anforderungen an die Ausrichtung der Laserlichtschnitte. Mit zwei Lichtschnitten würde eine günstige Auslegung die Lichtschnitthalbierende senkrecht zur Strömungshauptrichtung vorsehen. Dies wäre mit den Anforderungen des Laser- Doppler-Meßverfahrens vergleichbar. Sind viele Strömungsrichtungen gleichzeitig vorhanden, z. B. in einer turbulenten Strömung, könnten weitere Lichtschnitte bei anderen Einfallswinkeln eingestrahlt werden. Eine Trennung der verschiedenen Interferenzstreifen wäre nicht notwendig, wie z. B. beim LD-Verfahren, da die eine eindeutige Orientierung in der Abbildung aufweisen.This process of increasing the accuracy of the particle diameter determination through the relationship of the individual images to each other works if the particle movements are perpendicular to the direction of the strip. This poses Requirements for the alignment of the laser light cuts. With two light cuts a favorable design would make the light section bisector perpendicular to Provide the main flow direction. This would be with the requirements of laser Doppler measurement method comparable. Are many directions of flow at the same time available, e.g. B. in a turbulent flow, could further light cuts other angles of incidence. A separation of the different Interference fringes would not be necessary, e.g. B. in the LD method, since the one have clear orientation in the figure.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Genauigkeit der Durchmesserbestimmung bei Bewegung des Partikels parallel zu den Interferenzstreifen ist die Nutzung einer in der PD-Technik häufig verwendeten Frequenzverschiebung der einfallenden Strahlen zueinander. In diesem Falle bewegen sich die Interferenzstreifen mit einer durch die Shiftfrequenz vorgegeben Geschwindigkeit. Die beiden oder mehreren Belichtungen tasten verschiedene Zeitpunkte und damit verschiedene Interferenzstreifenlagen ab, was für die Signalauswertung einer Relativbewegung senkrecht zu den Interterenzstreifen entspricht.Another way to increase the accuracy of the Diameter determination when the particle moves parallel to the Interference fringing is the use of one commonly used in PD technology Frequency shift of the incident rays to each other. In this case  the interference fringes move with a predetermined by the shift frequency Speed. The two or more exposures key differently Points in time and thus different interference fringes from what for Signal evaluation of a relative movement perpendicular to the interference strips corresponds.

Ein weiterer Aspekt des Verfahrens, aus dem Vergleich unterschiedlicher defokussierter Abbildungen ein und desselben Partikels Partikeleigenschaften abzuleiten, ist die Bestimmung der Partikeldeformation. Liefern zwei zum gleichen Zeitpunkt aufgenommene Abbildungen bzw. Streifensysteme unterschiedliche Partikeldurchmesser, und liegen die Verbindungslinien zwischen den sie erzeugenden Glanzpunkte-Paaren nicht parallel zueinander, so werden zwei unterschiedliche Krümmungen der Partikeloberfläche vermessen. Daraus folgt, daß der Partikel von der sphärischen Form abweicht und eine Bestimmung der Nichtsphärizität möglich ist.Another aspect of the process, from comparing different ones defocused images of the same particle particle properties is to determine the particle deformation. Deliver two to the same Images or strip systems recorded at the time differ Particle diameter, and lie the connecting lines between them generating pairs of highlights do not parallel to each other, so two measure different curvatures of the particle surface. It follows that the particle deviates from the spherical shape and a determination of the Non-sphericity is possible.

Werden zwei unterschiedliche Partikeldurchmesser zu verschiedenen Zeitpunkten über dasselbe Glanzpunktpaar bestimmt, so läßt sich anhand der zeitlichen Änderung der Krümmung der Partikeloberfläche die Oszillationsfrequenz des Partikels abschätzen. Je mehr Einzelabbildungen, bzw. zeitlich separierte defokussierte Streifensysteme analysiert werden, desto besser ist die Schätzung der Oszillationsfrequenz. Bei vorher bekannter konstanter nichtsphärischer Form der Partikel z. B. Ellipsoide kann mit dieser Analyse auf die Rotationsgeschwindigkeit der Partikel geschlossen werden.Are two different particle diameters at different times determined over the same pair of highlights, can be based on the temporal Changing the curvature of the particle surface changes the oscillation frequency of the Estimate particles. The more individual images, or temporally separated defocused stripe systems are analyzed, the better the estimate the oscillation frequency. With previously known constant non-spherical form of Particles z. B. Ellipsoids can with this analysis on the speed of rotation Particles are closed.

Des weiteren besteht ein Vorteil dieses Verfahrens darin, den Brechungsindex von Partikeln zu bestimmen. Wird mehr als eine Wellenlänge genutzt, so entstehen unterschiedliche Interferenzstreifensysteme aufgrund der Brechungsindexabhängigkeit des Partikelmediums. Liegen die Verbindungslinien der die Streifensysteme erzeugenden Ganzpunktpaare für nichtsphärische oder sphärische Partikel parallel zueinander, so ist der Brechungsindex des Partikels aus der unterschiedlichen Ortsfrequenz bzw. aus dem Phasenversatz der Streifensysteme zueinander bestimmbar.Another advantage of this method is the refractive index of To determine particles. If more than one wavelength is used, the result is different interference fringe systems due to the Refractive index dependence of the particle medium. Are the connecting lines of the the whole-point pairs generating the strip systems for non-spherical or spherical particles parallel to each other, then the refractive index of the particle is off the different spatial frequency or from the phase shift of the Strip systems can be determined to each other.

Das Verfahren eignet sich auch zur Bestimmung von Inhomogenitäten innerhalb des Partikels. Für geschichtete sphärische Teilchen können zwei an unterschiedlichen Orten und damit aus zwei unterschiedlichen Lichtwegen durch das Teilchen resultierende Interferenzstreifenmuster miteinander verglichen und auf die Brechungsindexänderungen innerhalb des Partikels geschlossen werden. Eine Bestimmung von im Gegensatz zur eingestrahlten Wellenlänge kleinen Inhomogenitäten innerhalb des Partikels, z. B. Öltröpfchen in Wasser, ist da anhand der Änderung der Feinstruktur der Interferenzstreifensystem möglich.The method is also suitable for determining inhomogeneities within the Particle. For layered spherical particles, two can be different Locations and thus from two different light paths through the particle resulting interference fringe patterns compared and on the Refractive index changes within the particle can be concluded. A Determination of small in contrast to the incident wavelength Inhomogeneities within the particle, e.g. B. oil droplets in water is based on the change in the fine structure of the interference fringe system possible.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.

Kombination von Regenbogen- und PII-MeßverfahrenCombination of rainbow and PII measurement methods

Für die vorgeschlagene Anordnung (Fig. 1) wird ein Einfach-Doppler- oder Mehrfachlichtpulsquelle (A), z. B. Nd-YAG-Laserpaar, Kupferdampflaser wird über eine Aufweitungsoptik (B) als Lichtschnitt (C) in das Strömungsfeld gebracht. Bei ca. 90° wird über eine Abbildungsoptik (D) mit der Bildebene (E) das zu untersuchende Strömungsausschnitt (J) abgebildet. Hinter oder vor der Bildebene (E) wird eine Kamera (F) eine "Out-of-Fokus"-Abbildung aufnehmen. Die Aufnahme kann eine Mehrfachbelichtung oder mittels einer sog. Kreuzkorrelationskamera zwei aufeinanderfolgende und mit der Belichtung synchronisierte Aufnahmen sein (G). Diese Aufnahmen werden in einem PC-Rechner (H) zur Weiterverarbeitung geleitet. Die Neuigkeit dieser Anordnung besteht darin, daß gleichzeitig mehrere Partikel im Ausschnitt (J) mit der Regenbogenmeßtechnik (für das Beispiel Wasser in Luft Streuwinkel um 135°) bei Verwendung von zwei Glanzpunkten einer Ordnung pro Partikel untersucht werden können.For the proposed arrangement ( Fig. 1) a single Doppler or multiple light pulse source (A), z. B. Nd-YAG laser pair, copper vapor laser is brought into the flow field via an expansion lens (B) as a light section (C). At approx. 90 °, the flow section (J) to be examined is imaged with an imaging optic (D) with the image plane (E). A camera (F) will record an "out-of-focus" image behind or in front of the image plane (E). The exposure can be a multiple exposure or, by means of a so-called cross-correlation camera, two successive exposures synchronized with the exposure (G). These recordings are sent to a PC computer (H) for further processing. The novelty of this arrangement is that several particles in the cutout (J) can be examined simultaneously using the rainbow measurement technique (for the example water in air scattering angle of 135 °) using two gloss points of one order per particle.

PII-Verfahren mit zwei LaserlichtschnittenPII process with two laser light cuts

Abweichend von (Fig. 1) wird nun eine Strahlteileroptik (B) verwendet (Fig. 2), um zwei Laserlichtschnitte (C1) und (C2) im Meßbereich zu erzeugen. Die Strahlteileroptik (B) erzeugt dabei eine Strahlteilung und eine Aufweitung der Laserstrahlen. Die Realisierung der Strahlaufweitung kann sowohl einheitlich, über z. B. eine Strahlteilung und eine vor oder nach der Strahlteilung angeordnete Zylinderlinse, als auch getrennt, über Strahlteilung und zwei Zylinderlinsen für beide Strahlen erfolgen. Die Aufnahmeoptik (D+E+F) wird nun bei einem Streuwinkel positioniert, wo z. B. Brechung erster Ordnung dominiert. Die Interferenzstreifen folgen aus der Interferenz der zwei Streuwellen gleicher Streulichtordnung von beiden Lichtschnitten. Es könnte das vorgestellte Auswertungsverfahren der Interferenzstreifenbeziehung zwischen den beiden Belichtungen zur Erhöhung der Genauigkeit genutzt werden, so lang eine Doppel- oder Mehrfachbelichtung verwendet wird.Deviating from ( Fig. 1), beam splitter optics (B) are now used ( Fig. 2) to generate two laser light sections (C1) and (C2) in the measuring range. The beam splitter optics (B) generate a beam splitting and an expansion of the laser beams. The implementation of the beam expansion can be both uniform, for. B. a beam splitting and a cylindrical lens arranged before or after the beam splitting, as well as separately, via beam splitting and two cylindrical lenses for both beams. The optical system (D + E + F) is now positioned at a scattering angle, where z. B. First order refraction dominates. The interference fringes follow from the interference of the two scattering waves of the same scattered light order from both light sections. The presented evaluation method of the interference fringe relationship between the two exposures could be used to increase the accuracy, as long as a double or multiple exposure is used.

PII-Verfahren mit zwei Laserlichtschnitten und stereoskopischer AufnahmePII procedure with two laser light sections and stereoscopic recording

Aufbauend auf Fig. 1 und Fig. 2 werden nun zwei Aufnahmeoptiken verwendet (Fig. 3), um dadurch eine dritte Geschwindigkeitskomponente, wie in der PIV-Technik üblich zu ermitteln. Während eine Optik in Vorwärtsrichtung empfängt, empfängt die zweite Optik in Rückwärtsrichtung. Die Als Beispiel hierfür sei die Messung von Wassertropfen in Luft (relativer Brechungsindex 1.33) genannt. In diesem Fall könnte die erste Optik Brechung und somit Streuwellen der Glanzpunkte erster Ordnung von den beiden Wellen (C1) und (C2), die zweite Optik zwei Streuwellen der Glanzpunkte der beiden Strahlen (C1) und (C2) aufgrund von Reflexion oder vier Streuwellen der Glanzpunkte der Brechung 2. Ordnung empfangen. Die Trennung der Interferenzmuster bei Brechung 2. Ordnung kann z. B. durch Ortsfrequenzanalyse (Streifenrichtung) erfolgen.Based on FIG. 1 and FIG. 2, two imaging optics are now used ( FIG. 3) in order to thereby determine a third speed component, as is customary in the PIV technology. While one optic receives in the forward direction, the second optic receives in the reverse direction. The measurement of water drops in air (relative refractive index 1.33) is an example of this. In this case, the first optics could refraction and thus scatter waves of the first order highlights from the two waves (C1) and (C2), the second optics two scatter waves of the highlights of the two beams (C1) and (C2) due to reflection or four scatter waves the highlights of refraction 2nd order received. The separation of the interference patterns in 2nd order refraction can e.g. B. by spatial frequency analysis (strip direction).

Als Abwandlung dieser Anordnung könnte mit einer Spiegelumlenkung der zweite Laserlichtschnitt auch gleichzeitig von der gegenüberliegenden Seite aufgespannt werden. Somit würden beide Empfänger in Vorwärtsstreuung arbeiten.As a modification of this arrangement, the second could be with a mirror deflection Laser light cutting also spanned simultaneously from the opposite side become. So both receivers would work in forward scatter.

Stereoskopische Aufnahme in VorwärtsstreuungForward scatter stereoscopic image

In der Anordnung aus (Fig. 4) arbeiten beide Empfangsoptiken auch in Vorwärtsrichtung und erfassen dennoch die dritte Geschwindigkeitskomponente. In the arrangement from ( FIG. 4), both receiving optics also work in the forward direction and still detect the third speed component.

Anordnung mit zwei StreifensystemenArrangement with two stripe systems

In der Anordnung (Fig. 5) wird der Laserstrahl durch einem Strahlteiler (K) in zwei Teilstrahlen separiert. Mit jedem der beiden Teilstrahlen wird ein wie in den Anordnungen 1) bis 4) dargestellter Laserlichtschnitt erzeugt. Der Detektor oder die Detektoren (D+E+F) nehmen die Streuwellen von je zwei Glanzpunkten einer Streulichtordnung von beiden Teilschnitten (C1A+C1B) und (C2A+C2B) auf. Die Separation der Laserlichtschnitte im Detektor kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
In the arrangement ( FIG. 5), the laser beam is separated into two partial beams by a beam splitter (K). A laser light section as shown in arrangements 1) to 4) is generated with each of the two partial beams. The detector or detectors (D + E + F) record the scattered waves from two highlights of a scattered light order from both partial sections (C1A + C1B) and (C2A + C2B). The laser light cuts in the detector can be separated in different ways:

• - über Farbtrennung, in diesem Fall ist der Strahlteiler (K) ein Farbteiler- via color separation, in this case the beam splitter (K) is a color splitter
• - über Polarisation, der Strahlteilen (K) teilt den Strahl in zwei Strahlen und die Polarisation wird von (B1) und (B2) bzw. bereits im Strahlteiler (K) für beide Lichtschnitte unterschiedlich eingestellt- About polarization, the beam parts (K) divides the beam into two beams and the polarization is from (B1) and (B2) or already in the beam splitter (K) for both light sections set differently
• - über Ortsfrequenzanalyse der Abbildung, somit über die Ausrichtung des Streifenmusters in der Abbildung, K teilt den einfallenden in diesem Fall lediglich in zwei Strahlen.- About spatial frequency analysis of the image, thus about the orientation of the Stripe pattern in the figure, K divides the incident in this case only in two rays.

Vorteil dieser Konfiguration ist, daß die Verbindungslinien zwischen den zueinander gehörigen Glanzpunkten nicht parallel zueinander sind, damit die abgebildeten Streifensysteme ebenfalls nicht parallel zueinander orientiert sind und somit Krümmungen der Tropfen in unterschiedliche Richtungen detektiert werden. Ähnlich wie beim Dual-Mode-PDA [16] ist damit eine Nichtsphärizitätserkennung möglich. Die Verwendung von unterschiedlichen Lichtquellen für beide Lichtschnitte statt des Strahlteilers (K), die Verwendung von mehr als einer Kamera, die zusätzliche Einstrahlung von weiteren Lichtschnitten und die nicht senkrechte Orientierung der beiden Lichtschnitte zueinander sind Varianten dieser Anordnung.The advantage of this configuration is that the connecting lines between each other corresponding highlights are not parallel to each other, so that the depicted Strip systems are also not oriented parallel to each other and thus Curvatures of the drops in different directions can be detected. Similar As with the dual-mode PDA [16], non-sphericity detection is possible. The use of different light sources for both light sections instead of the Beam splitter (K), the use of more than one camera, the additional Irradiation of further light sections and the non-vertical orientation of the two light cuts to each other are variants of this arrangement.

Anordnung mit doppeltem Kombination von PII- und RegenbogenmeßtechnikArrangement with a double combination of PII and rainbow measurement technology

Im Gegensatz zur Anordnung aus Fig. 5 kommen die zwei mal zwei Glanzpunkte gleicher Ordnung durch die Verwendung von Mehrfachlösungen der Streuung (Regenbögen) zustande Fig. 6. Die Trennung der Streifensysteme kann wiederum durch unterschiedliche Varianten. Die Verwendung von mehreren Kameras, weiteren Lichtschnitte und separierten Lichtquellen sind hier ebenfalls Varianten der Anordnung.In contrast to the arrangement from FIG. 5, the two times two highlights of the same order come about through the use of multiple solutions of the scatter (rainbows) . FIG . The use of several cameras, further light sections and separated light sources are also variants of the arrangement here.

Aufnahme eines VolumenbereichesRecording a volume area

In dieser Anordnung (Fig. 7) wird ein Volumenbereich (J) mit den Lichtschnitten (C1+C2) und dem Detektorerfassungsbereich aufgenommen. Dadurch ist eine dreidimensionale Messung der Verteilung, im Gegensatz zu den vorherigen Anordnungen möglich. Die Tiefenposition der Partikel läßt sich anhand der Größe des unscharfen Umrisses ermitteln und fällt in den Bereich der Auswerteverfahren. Variationen mit oben angeführten Anordnungen, z. B. Messung der dreidimensionalen Geschwindigkeitskomponente durch Verwendung von mehr als einer Kamera, Verwendung von mehr als einem Paar Glanzpunkte gleicher Ordnung durch zusätzliche Lichtschnitte und beliebige Orientierung der Lichtschnitte, sind grundsätzlich möglich. In this arrangement ( FIG. 7), a volume area (J) with the light sections (C1 + C2) and the detector detection area is recorded. This enables a three-dimensional measurement of the distribution, in contrast to the previous arrangements. The depth position of the particles can be determined on the basis of the size of the blurred outline and falls within the range of the evaluation methods. Variations with the above arrangements, e.g. B. Measurement of the three-dimensional speed component by using more than one camera, using more than one pair of gloss points of the same order by additional light sections and any orientation of the light sections are possible in principle.

MehrfarbenanordnungMulti-color arrangement

Alle bereits vorgestellten Anordnungen lassen sich auch mit einer mehrfarbigen Lichtquelle (A) (Ar⁺-Laser oder Weißlicht) realisieren (Fig. 8). Für diesen Fall entstehen aufgrund der Brechungsindexabhängigkeit mehrere Streifensysteme. Dabei ist jedem Streifensystem, bzw. jeder Abbildung eine Farbe zugeordnet. Die Abbildungen bzw. Streifensysteme werden, bei Dominanz einer Streulichtordnung, beispielhaft in der oberen Skizze dargestellt, durch zwei Glanzpunkte gleicher Ordnung gebildet. Aus der Ortsfrequenz der einzelnen, mittels der Farbe getrennten, defokussierten Abbildungen läßt sich der Brechungsindex ermitteln.All of the arrangements already presented can also be implemented with a multicolored light source (A) (Ar ⁺ laser or white light) ( FIG. 8). In this case, several stripe systems arise due to the refractive index dependency. Each stripe system or image is assigned a color. The images or strip systems are formed by two highlight points of the same order if a scattered light order is predominant, as shown in the sketch above. The refractive index can be determined from the spatial frequency of the individual defocused images separated by means of the color.

Ach diese Anordnung ist durch Variation mit oben vorgestellten Anordnungen erweiterbar und veränderbar. Oh this arrangement is by variation with the arrangements presented above expandable and changeable.  

Literaturliterature

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Claims (15)

1. Anordnung einer oder mehrerer einen Volumen- oder Flächenbereich beleuchtender mono- oder polychromatischer Wellen und einer oder mehrerer flächen- oder linienhafter Detektoren zur flächen- oder volumenhaften defokussierten Abbildung der durch zwei oder mehrerer Glanzpunkte von im Beleuchtungsbereich der einfallenden Wellen befindlichen Partikeln erzeugten Interferenzstreifenmuster, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein der verschiedenen in der Abbildung aufgenommenen Interferenzstreifenmuster von zwei oder mehr Glanzpunkten ein und derselben Streulichtordnung, wobei Mehrfachlösungen einer Streulichtordnung eingeschlossen sind, erzeugt wird.1. arrangement of one or more mono- or polychromatic waves illuminating a volume or surface area and one or more surface or line-like detectors for surface or volume defocused imaging of the interference fringe patterns generated by two or more highlights of particles located in the illumination area of the incident waves, characterized in that in each case one of the different interference fringe patterns of two or more highlights of one and the same scattered light order recorded in the illustration, wherein multiple solutions of a scattered light order are included. 2. Verfahren zur Bestimmung des Partikeldurchmessers, des Brechungsindex, der Nichtsphäriziät, der Oszillationseigenschaften, der Rotationsgeschwindigkeit nichtsphärischer Partikel und/oder des inneren Aufbaus von Partikeln, wobei unter Partikeln Tropfen, Blasen, Feststoffteilchen oder andere für die Wellenausbreitung bedeutsame Inhomogenitäten im Medium zu verstehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehungen zwischen zwei oder mehr räumlich, zeitlich oder anderweitig zu trennenden defokussierten Abbildungen der Interferenzstreifenstruktur der von zwei oder mehrerer Glanzpunkte ausgehender Streuwellen zur Bestimmung der Partikeleigenschaften genutzt werden.2. Method for determining the particle diameter, the refractive index, the Non-sphericity, oscillatory properties, rotational speed non-spherical particles and / or the internal structure of particles, wherein under particles drops, bubbles, solid particles or others for the Significant inhomogeneities in the medium are to be understood, characterized in that the relationships between two or more spatially, temporally or otherwise separated defocused images of the Interference fringe structure that originates from two or more highlights Scattering waves can be used to determine the particle properties. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einstrahlung einer Welle und durch Mehrfachlösungen für eine Streulichtordnung Glanzpunkte gleicher Ordnung ein oder mehrere Interferenzstreifensysteme für jeden im Abbildungsbereich des Detektors befindlichen Partikel erzeugen und über eine defokussierte Abbildung diese Interferenzstreifensysteme mit einem flächen- oder linienhaften Detektor aufgenommen werden.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that by irradiation highlights and multiple solutions for a scattered light order of the same order one or more interference fringe systems for each in Generate imaging area of the detector located particles and over a defocused image of these interference fringe systems with an area or linear detector can be included. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einstrahlung von zwei Wellen für jeden im Abbildungsbereich des Detektors befindlichen Partikel ein Interferenzstreifenmuster durch zwei Glanzpunkte derselben Sreulichtordnung erzeugt wird und diese Interferenzstreifenmuster defokussiert auf einen den flächen- oder linienhafter Detektor abgebildet werden.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that by irradiation of two waves for each located in the imaging area of the detector Particle an interference fringe pattern through two highlights of the same Scattered light order is generated and this interference fringe pattern defocused can be imaged on a flat or linear detector. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere flächenhafte Detektoren an unterschiedlichen Raumpositionen, wobei jeder einzelne Detektor nach den Ansprüchen 3 und/oder 4 positioniert ist, die defokussierten Abbildungen der Glanzpunkte aufnehmen.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that several areal detectors at different spatial positions, each single detector is positioned according to claims 3 and / or 4, the Take defocused images of the highlights. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein flächenhafter Detektor defokussierte Abbildungen von einem oder mehreren Glanzpunktepaaren aufnimmt, wobei die zu einem Paar gehörenden Glanzpunkte jeweils einer Streulichtordnung angehören und von einer Anordnung nach Anspruch 3 und/oder 4 erzeugt werden, wobei die Detektoren aus Anspruch 3 und 4 in dem einen Detektor kombiniert sind.6. Arrangement according to claim 1, characterized in that an areal Detector defocused images of one or more Pairs of highlights points, the highlights belonging to a pair each belong to a scattered light order and from an arrangement Claim 3 and / or 4 are generated, the detectors from claim 3 and 4 are combined in the one detector. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere flächen- oder linienhafte Detektoren defokussierte Abbildungen der Glanzpunktpaare der Partikel im Abbildungsbereich liefern, wobei die Glanzpunktpaare aufgrund der Anordnung 3 und/oder 4 entstehen.7. Arrangement according to claim 1, characterized in that a plurality of surface or linear detectors, defocused images of the highlight pairs of the  Deliver particles in the imaging area, the highlight pairs due to the Arrangement 3 and / or 4 arise. 8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Interferenzstreifensysteme erzeugenden Glanzpunktpaare durch polychromatische Beleuchtung erzeugt werden.8. Arrangement according to claim 1, characterized in that the Interference fringe systems generating highlight pairs polychromatic lighting can be generated. 9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem mathematisch beschreibbaren Zusammenhang der Interferenzstreifenstrukturen zweier oder mehrerer zeitlich separierter defokussierter Aufnahmen ein und desselben Partikels die Meßgenauigkeit der Partikeldurchmesserbestimmung erhöht werden kann im Vergleich zur Auswertung nur einer der beiden defokussierten Abbildungen.9. The method according to claim 2, characterized in that from the mathematically describable relationship of the interference fringe structures two or more temporally separated defocused images one and of the same particle the measuring accuracy of the particle diameter determination only one of the two can be increased compared to the evaluation defocused images. 10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr zum gleichen Zeitpunkt aufgenommene defokussierte Abbildungen von zwei oder mehr Interferenzstreifenstrukturen ein und desselben Partikels unterschiedliche Oberflächenkrümmungen beschreiben und damit eine Bestimmung der Nichtsphärizität des Partikels ermöglichen.10. The method according to claim 2, characterized in that two or more to defocused images of two or more interference fringe structures of the same particle different Describe surface curvatures and thus a determination of the Enable non-sphericity of the particle. 11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus zwei oder mehr zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen defokussierten Abbildungen der Interferenzstreifenstrukturen ein und desselben Partikels die Änderung der Oberflächenkrümmung und damit die Oszillationsfrequenz von schwingenden Tropfen oder Blasen bestimmt wird.11. The method according to claim 2, characterized in that from two or more defocused images taken at different times of the interference fringe structures of the same particle the change of the Surface curvature and thus the oscillation frequency of vibrating Drops or bubbles is determined. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß aus der zeitlichen Änderung der Interferenzstreifenstruktur auf die Rotationsgeschwindigkeit eines Feststoffpartikels geschlossen wird.12. The method according to claim 11, characterized in that from the temporal Change the fringe structure to the rotational speed of a Solid particle is closed. 13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Beziehung von zwei oder mehreren zum gleichen Zeitpunkt aufgenommenen defokussierten Interferenzstreifenstrukturen unterschiedlicher Wellenlänge der Brechungsindex des Partikels bestimmt werden kann.13. The method according to claim 2, characterized in that from the relationship of two or more defocused ones taken at the same time Interference fringe structures of different wavelengths the refractive index of the particle can be determined. 14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus zwei oder mehr zum gleichen Zeitpunkt von unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen aus aufgenommenen defokussierten Abbildungen eines oder mehrerer Interferenzstreifensysteme die innere Struktur eines Partikels abgeleitet werden kann.14. The method according to claim 2, characterized in that from two or more at the same time from different observation directions captured defocused images of one or more Interference fringe systems are used to derive the internal structure of a particle can. 15. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund des Vergleiches der Feinstruktur zweier oder mehrerer defokussierter Abbildungen der Interferenzstreifenstruktur auf Inhomogenitäten innerhalb des Partikels geschlossen werden kann.15. The method according to claim 2, characterized in that due to the Comparison of the fine structure of two or more defocused images the interference fringe structure for inhomogeneities within the particle can be closed.