DE2014530B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von in einem Medium suspendierten Teilchen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von in einem Medium suspendierten Teilchen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration von in einem Medium suspendierten Teilchen, bei dem das Medium mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel bestrahlt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des vorgenannten Verfahrens, bei der zum Beaufschlagen
jo einer Probe eines suspendierte Teilchen enthaltenden Mediums mit einem polarisierten LichtstrahlenbUndel zwischen einer Lichtquelle und dem Medium ein Polarisator angeordnet ist.
Aus der DE-AS 12 81 184 ist bereits ein Verfahren
y, und eine Vorrichtung der vorgenannten Art bekannt, bei dem bzw. der das Medium mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel durchstrahlt und der Polarisaiionszustand des Lichtstrahlenbündels nach Durchlaufen des Mediums jntersucht wird. Der Polarisationszustand des durch das Medium hindurchgegangenen Lichtstrahlenbündels hängt nicht nur von der Konzentration der im Medium dispers verteilten Teilchen, sondern auch von der Teilchengröße ab. Das bekannte Verfahren eignet sich daher nicht zu Bestimmung der Konzentration von Teilchen mit schwankender Teilchengröße.
Aus der CH-PS 4 41814 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Faseraufschwemmungen bekannt, bei dem die Faseraufschwemmung ebenfalls mit polarisiertem Licht durchstrahlt und der
oo Polarisationszustand des durch die Faseraufschwemmung hindurchgegangenen Lichtes ermittelt wird. Dieses Verfahren beruht darauf, daß die in der Faseraufschwemmung vorhandenen Fasern optisch aktiv sind und somit bei Durchstrahlung der Faserauf-
r)5 schwemmung mit polarisiertem Licht eine von der Konzentration der Faseraufschwemmung abhängige Drehung der Polarisationsebene auftritt.
Aus der US-PS 34 99 159 ist es bekannt, zur Ermittlung der Größenverteilung der in einem Aerosol
bü vorhandenen Teilchen das Aerosol mit polarisiertem Licht zu bestrahlen und das unter einem Winkel von 90° zur Einfallsrichtung gestreute Licht zu untersuchen. Es ist weiterhin bereits bekannt (Staub, 18 (1958), Seite 37—43), daß bei der Bestrahlung von Staubteilchen mit polarisiertem Licht das von den Staubteilchen seitlich bis zu einem Winkel von 90° zur Einfallsrichtung gestreute Licht einen von der Teilchengröße abhängigen Polarisationszustand aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Konzentration von in einem Medium suspendierten Teilchen in einfacher und zuverlässiger Weise bestimmt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß bei Bestrahlung eines Teilchen in disperser Verteilung enthaltenden Mediums mit linear polarisiertem Licht zwischen dem Polarisationszustand des Lichts, Jas vom Medium aufgrund von Mehrfachstreuung an den Teilchen rückgestreut wird, und der Teilchenkonzentration ein weitgehend von der Teilchengröße und Teilchenform unabhängiger Zusammenhang besteht
Aufgrund dieser Erkenntnis wird bei einem Verfahren zum Bestimmen der Konzentration von in einem Medium suspendierten Teilchen, bei dem das Medium mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel bestrahlt wird, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der depolarisierte Anteil des rückgestreuten Lichts als Meßwert für die Konzentration erfaßt wird. Vorzugsweise wird der depolarisierte Anteil des unter einem Winkel von mindestens 150° zur Einfallsrichtung des polarisierten Lichtstrahlenbündels rückgestreuten Lichts erfaßt
Beim Verfahren nach der Erfindung haben Änderungen in der Teilchengrößenverteilung im wesentlichen keinen oder nur einen minimalen Einfluß auf die Meßgenauigkeit, so daß das Verfahren nach der Erfindung insbesondere dort vorteilhaft eingesetzt werden kann, wo Größe und Form der Dispors verteilten Teilchen schwanken.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, bei der zum Beaufschlagen einer Probe eines suspendierte Teilchen enthaltenden Mediums mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel zwischen einer Lichtquelle und dem Medium ein Polarisator angeordnet ist und die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist daß auf der der Lichtquelle zugekehrten Seite der Probe eine Meßeinrichtung für den depolarisierten Anteil des von der Probe rückgestreuten Lichts angeordnet ist.
Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht
Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Depolarisationsgrades des unter einem Winkel von 135° rückgestreuten Lichts in Abhängigkeit von der Teilchenkonzentration,
F i g. 3 eine graphische Darstellung des Depolarisationsgrades des unter einem Winkel von 150° rückgestreuten Lichts in Abhängigkeit von der Teilchenkonzentration,
F i g. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung und
F i g. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung.
Wie F i g. 1 zeigt wird das von einer Lichtquelle 10 gelieferte Lichtstrahlenbündel mit einem herkömmlichen Polarisator polarisiert
Je nach der gewünschten Wellenlänge kann als Lichtquelle 10 eine Quecksilberlampe, eine Wolframlampe oder eine Xenonlampe verwendet werden. Falls mit monochromatischem Licht gearbeitet werden so!!.
kann eine monochromatisches Licht liefernde Lichtquelle verwendet werden oder aber auch aus dem von einer Lichtquelle gelieferten polychromatischen Licht mit Hilfe eines Filters 11 ein monochromatisches Lichtstrahlenbündel ausgefiltert werden.
Der Filter 11 kann in irgendeiner Stelle zwischen der Lichtquelle 10 und einem Detektor 18 angeordnet werden, mit dem die Intensität des Lichts erfaßt wild, das von der dispers verteilte Teilchen enthaltenden
so Probe 14 rückgestreut wird. Bei einer Vorrichtung mit jeweils zwei Analysatoren und Detektoren wird das Filter zweckmäßigerweise zwischen Lichtquelle und Probe angeordnet, da sonst zwei Filter erforderlich wären, die bei ungleichmäßiger Lichtdurchlässigkeit Meßfehler verursachen könnten.
Vorzugsweise verwendet man zur Bestrahlung der Probe 14 ein monochromatisches Lichtstrahlenbündel, man kann jedoch auch ein polychromatisches Lichtstrahlenbündel verwenden. Falls ein Lichtstrahlenbündel mit verschiedenen Wellenlängen verwendet wird, sollte die maximale Wellenlänge mit dem Durchmesser der in der Probe dispers verteilten Teilchen vergleichbar sein, damit möglichst genaue Meßwerte erzielt werden.
In der mit dem polarisierten Lichtstrahlenbündel bestrahlten Probe 14 wird das einfallende Licht an den vorhandenen Teilchen zum Teil nur einmal und zum Teil auch mehrfach gestreut. Mit Hilfe der vom Analysator 16 und Detektor 18 gebildeten Meßeinrichtung, die auf
jo der der Lichtquelle 10 zugekehrten Seite der Probe 14 angeordnet ist, wird der depolarisierte Anteil des von der Probe 14 infolge Mehrfachstreuung rückgestreuten Lichts erfaßt Der Winkel zwischen Einfallsrichtung und Rückstreurichtung wird nachfolgend als Streuwinkel θ bezeichnet
In F i g. 2 ist der Depolarisationsgrad gegen die Konzentration von in einer Flüssigkeit suspendierten festen Teilchen aufgetragen. Die Konzentration von Teilchen mit einer Größe von 234 Nanometer, 557 nm,
4(i 7% nm, 1,305 nm, 1,900 nm und 2,680 nm wurde variiert von 2 ppm bis 500 ppm. Als Flüssigkeit wurde Wasser verwendet, zur Bestrahlung wurde Licht mit einer Wellenlänge von 546 nm verwendet.
Der Winkel θ wurde auf 135° festgesetzt Die Bestimmung von E, wurde so durchgeführt, daß der Analysator so angeordnet wurde, daß seine optische Achse senkrecht zur Achse des polarisierten Lichts steht. Auf diese Weise kann die Intensität des polarisierten Lichts bestimmt werden, da die Intensität des Lichtes, die den Detektor erreicht, gleich ist der Hälfte des depolarisierten Lichtes.
Um Fehler zu vermeiden, die dadurch entstehen können, daß der Winkel θ zwischen den Bestimmungen E· und Β· differiert, und um nicht zwei getrennte Analysatoren und Detektoren zu verwenden, drehte man nach Bestimmung von E den Analysator 16 90° um eine Achse, die senkrecht ist zu seiner optischen Achse. Dadurch wird seine optische Achse parallel eingestellt zur Achse des polarisierten Lichts.
to Wie aus Fig.4 zu ersehen ist, kann alternativ eine Lichtdrehvorrichtung 15 zwischen dem Analysator 16 und der Probe 14 angeordnet werden, die die Lichtebene um 90° dreht. Die Lichtdrehvorrichtung 15 kann aus einem Quarzkristall bestehen. Die Lichtdrehvorrichtung 15 kann auch so angeordnet werden, daß sie sich in den Lichtweg hinein und heraus bewegt, und zwar zwischen der Probe 14 und dem Analysator 16. Im letzleren Falle sollte pinp äquivalente jedoch das Licht
nicht drehende Vorrichtung wie beispielsweise eine Platte aus geschmolzenem Quarz anstelle der herausgenommenen Lichtdrehvorrichtung in den Lichtweg eingesetzt werden, so daß die Lichttransmissionseigenschaften konstant bleiben.
Das Verhältnis der Intensitäten E-IE- repräsentieren die Depolarisation des gestreuten Lichts. Es können natürlich auch andere Verhältnisse verwendet werden. Die grundsätzlich direkt gemessenen Größen sind:
1. Die Intensität der Lichtkomponente, deren optische Achse parallel ist zur Achse des polarisierten Lichts (E).
2. Die Intensität der Lichtkomponente, deren optische Achse senkrecht ist zur Achse des polarisierten Lichts (E).
3. Die Intensität des gesamten Lichtes (Et) E = Ep+Edl2
E = Edl2
Et = Ep+Ed
Worin
Ep — Intensität des polarisierten Lichtes
Ed = Intensität des depolarisierten Lichtes
Et — Intensität des gesamten Lichtes ist.
Aus F i g. 2 ist zu ersehen, daß die Kurven für Teilchen, die eine Größe besitzen, die mindestens vergleichbar ist mit der Wellenlänge des Lichts, recht eng zusammenfallen. Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß die Vergrößerung des Winkels Θ auf 150° dazu dient, die Kurven für Teilchen näher zusammen zu bringen, die eine Größe besitzen, die mindestens in der Größenordnung der Wellenlänge des einfallenden Lichtes liegt.
Der Vorteil der Verwendung eines großen Winkels θ ergibt sich aus der Tatsache, daß der Anteil des Lichtes, der mehrfach gestreut worden ist, sich relativ erhöht zu dem Anteil des Lichtes, der nur einmal gestreut worden ist, wenn der Winkel Θ von Null auf 180° ansteigt.
Damit der Einfluß der Teilchengröße und der Teilchenform auf den scheinbaren Depolarisationsgrad im wesentlichen eliminiert oder zumindestens auf ein Mindestmaß reduziert wird, sollte der Winkel θ optimal bei 180° liegen. Der Winkel sollte zumindestens größer sein als 90°. Der Winkel sollte vorzugsweise größer sein als 135°. Man nähert sich optimalen Bedingungen, wenn man Winkel verwendet, die größer sind als 150°.
Man konnte feststellen, daß der Grad der Depolarisation des gestreuten Lichtes nicht beeinflußt wird, wenn man Dichtefilter vor der Lichtquelle einsetzt. Dies ist selbst dann der Fall, wenn die Intensität der Lichtquelle variiert wird um einen Faktor 10. Dies ist dann von besonderem Vorteil, wenn nur ein Analysator und Detektor verwendet wird, weil eine Ansammlung von festem Material auf der inneren Oberfläche der Kammer, die die zu analysierende Flüssigkeit ent!'alt, nicht die Messung des Depolarisationsgrades des gestreuten Lichtes beeinflußt. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von zwei separaten Analysatoren und Detektoren beruht darin, daß die Detektoren etwas in ihrer Empfindlichkeit variieren und diese Empfindlichkeitsunterschiede der Detektoren zu weiteren. Fehlern führen können.
Das Problem, das dadurch entsteht, daß der Winkel θ für die Bestimmung von E- des Systems etwas differiert von dem Winkel θ für die Bestimmung von E- kann dadurch eliminiert werden, daß eine Vorrichtung 60 zum Teilen bzw. Aufspalten des Strahls wie er in F i g. 5 dargestellt ist, verwendet wird. Während die Vorrichtung 60 simultane Ablesungen ermöglicht, ohne daß Fehler aufgrund einer Nicht-Symmetrie eintreten, besitzt diese Vorrichtung den Nachteil, daß die Intensität des Lichts, das jeden Detektor erreicht, verringert wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden beschrieben anhand der Messung von Festteilchen in einer Flüssigkeit Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können jedoch auch für jedes trübe Medium verwendet werden, in dem auch Teilchen aus einer Flüssigkeit, einem Feststoff oder selbst aus Gas in einer Flüssigkeit oder in einem Vakuum suspendiert sind, vorausgesetzt, daß ein Unterschied besteht zwischen dem Refraktionsindex der Teilchen und der Flüssigkeit
Die Bezeichnung »trübes Medium« bezieht sich auf ein System, das bis zu einem gewissen Ausmaße eine Lichtstrahlung streut. Normalerweise enthält die Flüssigkeit ein bestimmtes Material, das einen Refraktionsindex besitzt, der sich von dem Refraktionsindex der Flüssigkeit unterscheidet, wodurch eine Streuung der Strahlung hervorgerufen wird.
Hierzu 4 Blatt zeichnungen

Claims (10)

Patemansprüche:
1. Verfahren zum Bestimmen der Konzentration von in einem Medium suspendierten Teilchen, bei dem das Medium mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der depolarisierte Anteil des rückgestreuten Lichtes ab Meßwert für die Konzentration erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der depolarisierte Anteil des unter einem Winkel von mindestens 150° zur Einfalbrichtung des polarisierten Lichtstrahlenbündels rückgestreuten Licht erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des rückgestreuten Lichtes und die Intensität des die gleiche Polarisation wie das einfallende Lichtstrahlenbündel aufweisenden Anteils des rückgestreuten Lichtes gemessen und das der Teilchenkonzentration proportionale Verhältnis der Intensität des rückgestreuten Lichtes zur Intensität des die gleiche Polarisation wie das einfallende Lichtstrahlenbündel aufweisenden Anteils gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahlenbündels polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichtes und die Intensität des parallel zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahlenbündels polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichtes gemessen und das der Teilchenkonzentration proportionale Verhältnis der Intensität des senkrecht polarisierten Anteil des rückgestreuten Lichtes zur Intensität des parallel polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichtes gebildet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—4, bei der zum Beaufschlagen einer Probe eines suspendierte Teilchen enthaltenden Mediums mit einem polarisierten Lichtstrahlenbündel zwischen einer Lichtquelle und dem Medium ein Polarisator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Lichtquelle (10) zugekehrten Seite der Probe (14) eine Meßeinrichtung (16,18) für den depolarisierten Anteil des von der Probe rückgestreuten Lichtes angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Meßeinrichtung (16, 18) gleichzeitig oder nacheinander die Intensität des die gleiche Polarisation wie das einfallende Lichtstrahlenbündel aufweisenden Anteils des rückgestreuten Lichtes und entweder die Intensität des rückgestreuten Lichtes oder die Intensität des senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahlenbündels polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichtes erfaßbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (16, 18) zwei Analysatoren (16) enthält, von denen der eine senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahlenbündels polarisiertes Licht und der andere parallel zur Polarisationsebene des einfallenden Lichistrahlenbündels polarisiertes Licht durchläßt und denen jeweils ein Strahlungsempfänger (18) zum Nachweis des durchgelassenen Lichtes zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Ausgangssignalen der Strahlungsempfänger (16) eine Einrichtung zur Bildung des Verhältnisses des senkrecht polarisierten Anteils zum parallel polarisierten Anteils des rückgestreuten Lichtes beaufschlagt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5—8, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Meßeinrichtung (16,18) nur Licht erfaßbar ist, das in bezug auf die Einfallsrichtung des polarisierten Lichtstrahlenbündels unter einem Winkel von mindestens 150° rückgestreut wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5—9, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (12) und die Meßeinrichtung (16, 18) in einer Ebene angeordnet sind, die durch die Einfallsrichtung des polarisierten Lichtstrahlenbündels festgelegt und senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahlenbündels liegt
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