WO2014026999A1 - Method for determining the size spectra and the concentration of particles in a multi-phase liquid flow and cavitation channel - Google Patents

Method for determining the size spectra and the concentration of particles in a multi-phase liquid flow and cavitation channel Download PDF

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WO2014026999A1
WO2014026999A1 PCT/EP2013/066933 EP2013066933W WO2014026999A1 WO 2014026999 A1 WO2014026999 A1 WO 2014026999A1 EP 2013066933 W EP2013066933 W EP 2013066933W WO 2014026999 A1 WO2014026999 A1 WO 2014026999A1
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particles
liquid
laser beam
spherical
laser
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PCT/EP2013/066933
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Nils Damaschke
Eric Ebert
André KLEINWÄCHTER
Willfried KRÖGER
Robert Kostbade
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Universität Rostock
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    • G01N2015/1497—Particle shape

Definitions

  • the present invention relates to a method for the continuous determination of the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase liquid flow as well as a cavitation channel, comprising a
  • Particles are inhomogeneities that locally change the properties of the substance.
  • solid particles e.g. Dust, dirt particles, abrasion, Ru ß, organic residues etc. available. These usually have an undefined shape and are often inhomogeneous.
  • liquid drops or bubbles which will also be referred to below as germs. Examples include water drops in oil, oil drops in water or air bubbles in water or oil. These usually have a smooth surface are homogeneous and spherical in a sufficiently small size or almost spherical.
  • Liquid flow is necessary for a number of processes and will be illustrated by three exemplary processes.
  • cavitation tests are carried out in which the occurrence and type of cavitation depending on the set parameters such as pressure, temperature, oxygen saturation, flow rate are investigated. Another parameter is the
  • Germ concentration in the inflow This also has a decisive influence on the onset, type, extent and hysteresis of cavitation. For example, bubbles are expanded from the inflow in a negative pressure area and cavitation arises. Solid particles or very small bubbles ( ⁇ 10 ⁇ ) on the other hand act according to the common definition not as germs. For the definition of the operating point of the Kavitationskanäle therefore a measurement technique would be advantageous, which detects the particles and in terms Classified solid particles or bubbles. In addition, a size determination and a concentration or flow determination of the germs should be made, since the influence on the cavitation depends on the size spectrum and on the concentration.
  • the cavitation bubbles generated on the object to be investigated act in part again as germs after one revolution.
  • the tunnel therefore requires a certain amount of time to reach a stable state.
  • a difference in germ concentration may arise when the operating point is affected by various operating parameters, such as
  • Flow velocity or pressure is approached. This corresponds to a hysteresis.
  • a continuous time-resolved measurement is desirable, which provides concentrations and spectra of the germs in real time. This procedure can also be applied to larger scale seed concentration determination, e.g. in the wake of a ship, to be extended. Again, the bubbles affect the cavitation on the propeller and the rudder of the ship.
  • Gaussian exchange between a fluid phase and a disperse gaseous phase e.g. Bubbles in the sea, bubbles in chemical reactors such as bubble columns, called.
  • concentration of the bubbles (germs) and their size spectrum must be known.
  • other impurities or solid particles are present in the flow, which the
  • Oil concentration determination can be specified in water.
  • Dirty water in water bodies or sewage treatment plants must often not exceed a defined oil concentration (for example pumping out bilge water, discharging water)
  • the disperse phase consists of
  • Disperse phases in one liquid flow would be bubbles or an immiscible liquid (e.g., oil) in another liquid (e.g., water).
  • the known measuring techniques can be used for this, as far as the condition of the two-phase flow is met.
  • none of the measuring techniques is capable of classifying the different disperse phases in a multiphase flow (two disperse phases in a fluid phase).
  • the previously pursued approaches validate only the signals of a disperse phase to exclude measurement errors.
  • Detection probability of particles depending on their size If e.g. small particles due to a lower scattering and thus a smaller detection volume detected less often than large, the frequency distribution of events is subjected to a systematic error, also known as edge zone error.
  • the correction for the reconstruction of the "true" particle size spectrum must be specific to the measuring system, since the detection volumes of the methods differ greatly.
  • Phase Doppler (PD) method (Albrecht et al., 2003): In the phase Doppler measurement technique, individual particles are illuminated in a small measuring volume by two laser beams. The phase difference between two spatially separated scattered light receivers is a measure of the Particle size assuming homogenous single spherical particles. With additional detectors, the measuring range can be extended and it can
  • phase Doppler technique is based on a small measurement volume, which requires a low data rate (particles per time). This represents a disadvantage of the PD technology, since for more extensive
  • Measurement uncertainties such as noise
  • the dispersion of two particles in the measurement volume deformed particles of a disperse phase and particles of another disperse phase to distinguish.
  • Time shift measurement technology (ZVM) (Albrecht et al., 2003): The particle size is determined by measuring the time shift of the scattered light signals. Compared to the commonly used and technically similar phase Doppler anemometry offers the following:
  • Time-shift measurement technology among other things, the advantages of a more flexible optical access and the ability to differentiate several phases and thus bubbles and solid particles. Disadvantages of this technique are as in the phase Doppler technique a high adjustment effort, a high expenditure on equipment and associated high costs and a small measurement volume and thus a low data rate. The low data rate in turn prevents reliable even with lower number concentrations
  • Shadow Imaging The technique is based on backlighting and an imaging process.
  • the shadow image can image particles regardless of shape and material.
  • the measurement volume is defined by the depth of field and the focal length of the imaging system. In terms of accuracy, disadvantages of this technique are a relatively inaccurate measurement depending on the adjustment effort and a direct intensity dependence of the measurement results from the light source and the exposure time of the detector.
  • the imaged area or the measuring volume is defined by the resolution and the pixel number of the camera.
  • image processing is not real-time capable, offers no measurement volume correction and also no distinction between
  • Interferometric Particle Imaging In G. König et al., 1986, a laser beam was focused on a monodisperse droplet chain. By means of a defocused camera, part of the scattering function was imaged on the CCD sensor and the particle size of the homogeneous spherical droplets was determined from the number or the local frequency of the scattering lobes. With less defocusing, the intensity distribution of the scattering function present over the aperture of the receiving optics can be imaged in a local area on the sensor. This makes it possible to image several particles simultaneously on the sensor. In contrast to shadow imaging, the imaged area (measurement volume) can be nearly decoupled from the particle size resolution by the defocusing and can be decoupled in the
  • IPI Interferometric Particle Imaging
  • ILIDS Maeda et al.
  • the IPI technique has disadvantages with respect to the above-mentioned application examples or can not be used for the corresponding objectives.
  • All previously realized IPI systems either characterize individual particles of a disperse phase (eg, König 1986) or use a laser light beam two-dimensional determination of the particle size (eg Maeda et al 2002, Damaschke et al., 2005) of a disperse phase in one plane.
  • Laser light section is the simultaneous measurement of several particles in the
  • the image data must first be read out of the area sensor. With image sizes of one megapixel and more, due to the limited pixel clock, only frame rates of a maximum of approx. 100Hz can be continuously achieved. In high-speed cameras with higher frame rates, the data is first stored in a memory and then read (off-line) or transmitted. Thus, continuous measurements are a prerequisite for a
  • Reception optics realized (for example, Maeda et al., 2002), which defocus the particles in one direction only and focused in the other (optical compression). Instead of two-dimensional images, this produces strip images that overlap less and can be localized faster and more precisely. Disadvantage is that the
  • Reception optics must be modified in a special way with a cylindrical lens. Furthermore, the entire area sensor is also read out here and information about the validation is lost due to the optical compression.
  • a pulsed laser usually Nd: YAG, must be used for illumination by means of a light section
  • Pulsed laser can be used, since high light energies for the exposure are necessary.
  • the pulse lasers used are costly.
  • the IPI systems realized so far are not able to distinguish and characterize different disperse phases in multiphase flows with more than two phases.
  • the vast majority of IPI applications is in the area of To find atomization technique.
  • the disperse liquid phase forms drops which are characterized by the IPI technique.
  • a third disperse phase occurs in these
  • Measuring range can be extended and on the other hand by comparing the specific
  • the GPD technique also uses a two-dimensional image with the disadvantages described above and is better at validating the measurement data. A classification of several disperse phases is not possible with the GPD technique. The GPD extension is only used to validate the measured values of a disperse phase.
  • Counting methods are the hardware costs, the costs, the real-time capability and the
  • Adjustment effort of the diffraction measuring technique lower.
  • a laser beam is coupled into the measuring range and the scattered light is usually received in the forward direction with a segmented detector.
  • a segmented detector it is assumed that a large number of particles are within the measuring volume and can be deduced from the superposition of all scattering functions of the particles on the size distribution.
  • size spectra and concentrations can not be estimated from the individual particles.
  • the method is not sensitive to the distinction of germs and solid particles.
  • the object of the invention is to overcome as many of the above-described disadvantages of the prior art.
  • An object of the invention is to provide a method for determining the free gas content, in particular in cavitation processes.
  • the water quality, especially the free gas content has a decisive influence on the cavitation.
  • the method should allow the measurement of germ spectra and microbial concentrations. As many as possible of the following boundary conditions should be fulfilled for a near-process measurement: in-situ measurement, counting method, low installation effort, low
  • Hardware costs, low adjustment effort, long-term stability, continuous measurement, ideally in real time.
  • the method should allow a distinction of germs and solid particles.
  • Yet another task is a reliable and stable detection volume correction.
  • Disclosed is a method for the continuous determination of the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a with
  • Liquid particles and / or gas particles and further with solid particles laden multiphase flowing liquid comprising the following steps:
  • Propagation direction of the laser beam are contained in the liquid
  • the method is a method for non-contact, in situ determination of
  • coherent signal acquisition and processing has significant advantages over other optical particle characterization methods.
  • the method provides a non-contact, process-oriented, real-time-capable and cost-effective measuring method.
  • the method uses in its basic embodiment a very simple optical structure consisting only of a laser beam and an imaging optics. Compared to other methods (phase Doppler technique, IPI, time-shifting technique) it can be realized with low acquisition and operating costs.
  • the simple optical design also requires a simple installation, adjustment, handling, adjustment and maintenance as well as a mechanically and optically robust construction compared to other methods.
  • the frame rates can be increased in specific embodiments by using line scan cameras and FPGAs up to the upper kHz range.
  • particle sizes and / or concentrations can be represented as highly time-resolved in a moving, flowing liquid, also referred to as "multiphase flow.”
  • particles designates liquid particles (liquid droplets), gas particles (Gas bubbles) and inhomogeneous and / or non-spherical solid particles. If “inhomogeneous and / or non-spherical particles” are mentioned, they also become particles as solid particles especially since solid particles are generally non-spherical.
  • spherical Homogeneous spherical liquid droplets or gas bubbles are also referred to below as “germs”, in particular with regard to cavitation
  • spherical encompasses both exactly spherical and approximately spherical gas or gas bubbles
  • gas bubbles and / or liquid drops on the one hand and on the other hand inhomogeneous / non-spherical solid particles in a flow can be distinguished with the method.
  • the method can also be used to determine seed concentrations and seed spectra in bubble-laden and / or droplet-laden liquid streams which additionally contain inhomogeneous / non-spherical solid particles.
  • the method can be used to determine germ spectra and microbial concentrations in liquids, to determine the free gas content of the water in cavitation tunnels or other bubble flows. This is also possible if in addition to the flow of solid particles are present.
  • the measurement method allows for the first time a continuous, real-time capable, robust and cost-effective measurement of the bubble, oil drop and solid particle concentration in liquid flows. Further advantages of the method are also given in the following detailed explanation at an appropriate location.
  • multiphasic flowing liquid refers to a liquid mixture of several phases: when the multiphase flowing liquid contains or is laden with liquid particles, particles (in this case drops or droplets) are made up within a first liquid present to a predominant volume fraction An example is a mixture of oil droplets in water. "When the multiphase flowing liquid contains gas particles, it is understood to mean gas bubbles or gas bubbles that within a predominant volume fraction existing first liquid are distributed. Basis of the method is the above-mentioned interferometric particles
  • IPI Interferometric Particle Imaging
  • G. König G. König
  • K. et al. declining.
  • the IPI technique is based on highlights of laser-irradiated homogeneous spherical or nearly spherical particles.
  • An in-focus image consists of at least two highlights (first-order reflection and refraction). As the degree of defocusing is increased and the spatial resolution of the optical system is reduced, the two highlights merge into a single defocused image with interference lines.
  • spherical particles such as liquid particles and
  • the number of interference fringes is a function of the particle diameter, the scattering angle, the aperture angle, the wavelength of the light source, and the relative
  • Interference pattern in particular the number of interference fringes, the particle size can be determined. With additional dependence of the interference structure of the refractive index can be distinguished between liquid particles and gas bubbles.
  • the IPI technique is explained in Basics in Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336-350. Mathematical backgrounds of the IPI technique are explained in Albrecht et al. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer Verlag.
  • a coherent laser beam is irradiated into the measuring volume, also referred to as “measuring range", of the liquid.
  • a plurality of particles are illuminated along the propagation direction of the laser beam. Compared to the usual IPI method but no
  • Laser light section to illuminate a larger plane / area or a larger volume generated.
  • laser beam With a tightly localized, i. focused, laser beam is illuminated only part of the flowing liquid line.
  • the laser beam has a small
  • Propagation direction can be arbitrarily oriented to the flow direction. Furthermore, comparatively few particles are illuminated along the laser beam and compared to two-dimensional measurement techniques, the number of illuminated particles can be significantly reduced. This is directly reflected in a greatly reduced overlap of
  • the lighting can be a continuous-wave lighting.
  • the wavelength depends on the availability of array detectors for the corresponding wavelength used and generally goes from the infrared to the UV range.
  • the terms "light” and “illumination” thus also encompass the IR and UV ranges in this invention.
  • Light source for example, cost-effective continuous wave laser can be used, since the scattered light intensity is sufficient due to the strong focus even at short exposure times of the sensor.
  • the continuous wave lasers also allow high levels
  • Refresh rates (> 1 kHz), which otherwise can only be realized by specific pulse lasers.
  • a pulse illumination can be used by means of pulsed laser.
  • Laser beam adjustment can be made very simple or even eliminated. This reduces the adjustment effort, the equipment and hardware costs considerably.
  • the laser is ideally irradiated directly into the measuring range, which corresponds to the simplest structure with regard to the measuring techniques discussed above.
  • Gaussian distribution can be described, the determination of the detection volume for the correction of the diameter spectra is very reliable.
  • a plurality of laser beams are different
  • Measuring volumes of the liquid irradiated are preferably two or more laser beams of the same wavelength but different position and / or
  • the distance of the laser beams from each other is selected so that defocused images of different beams do not overlap or hardly overlap, whereby the already mentioned advantages of the method are retained.
  • the number of imaged particles and thus the data rate are increased.
  • two or more superposed laser beams of different wavelengths are irradiated.
  • the term "superimposed" means that the two or more laser beams have a different wavelength but a same propagation.A local superimposition is not mandatory, but advantageous because the same particles are illuminated.By instead of monochromatic laser light, two or more superimposed laser beams used for different wavelengths, a scattered light distribution of the same particles is generated for each laser wavelength, on the receiving side by means of optical color filter, by means of
  • Time division or frequency analysis of the image can be separated.
  • an RGB camera can simultaneously detect three scatter functions for three wavelengths separately.
  • the laser beam, or multiple laser beams used originate from a device that can be used in another laser-based measurement method.
  • the laser light beam or several laser beams used originate from another measuring method used in parallel.
  • the scattering of laser beams of other measuring techniques is also used for the method according to the invention. If, for example, the speed of the liquid flow is determined by means of laser Doppler technology, this will be at least two intersecting laser beams focused in the measuring range, which except for the
  • Determination of particle sizes and concentrations can be used.
  • the hardware cost can be further reduced.
  • the method according to the invention is combined with a laser Doppler method.
  • the receiving optics positioned under a specific scattered light angle image the scattering by means of an optic defocused onto a multidimensional detector.
  • the specific scattered light angle of the detectors is dependent on the relative
  • Refractive index chosen in between liquid and germs (homogeneous and spherical particles).
  • a monotonic relationship between the number of interference fringes (number of scattered light lobes) and local fringe frequency and seed diameter is given only for two dominant highlights. These may either be for a laser beam through two stray light orders, e.g. Refraction and reflection, or generated by two laser beams and a dominant scattered light order. If more than two highlights are involved in the occurrence of the recorded scatter function, additional redundant frequencies occur in the image. Insofar as these can be quantified by appropriate signal processing, the additional frequencies for validation,
  • Substance differentiation or range extension can be used. In Albrecht et al. 2003 and Damaschke et al. 2005 there is a detailed discussion and
  • the scattered light angle the angle between irradiated light and scattered light, for example, for air bubbles in water, preferably about 80 to about 120 °, since only two stray light orders dominate, more preferably 80 ° to 90 °, since in this area, the scattered light intensity is greater than in the range 90 ° to 120 °
  • the degree of defocusing is preferably selected such that the particle images do not overlap too much for the evaluation but are also not too small for the analysis of the scattering functions and that the signal is sufficiently intense for the following signal processing.
  • Astigmatic lenses can be used in optics for better localization and brightness and contrast enhancement of the defocused image.
  • a two-dimensional detector for example a charge coupled device (CCD), a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) or a smart pixel array, is used for detection.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • the defocused images can be recorded and transferred for further processing.
  • Section of the sensor activation of a ROI, region of interest
  • This enables higher frame rates and thus higher data rates, which are necessary for continuous process monitoring.
  • the detector is a one-dimensional detector, for example a CCD line, CMOS line or photodiode line. This will only record a one-dimensional part of the scatter function. This corresponds to virtually only one row of pixels or a one-dimensional section of the two-dimensional sensor.
  • the one-dimensional detector is aligned perpendicular to the interference fringes of the homogeneous spherical particles and thus parallel to the laser beam propagation, as this way the number or frequency of the interference fringes for homogeneous spherical particles can be determined.
  • Advantage of using 1 D sensors are the higher
  • the use of two or more parallel individual sensors is possible, which can be integrated both on a single chip and can be constructed independently of each other.
  • the sensors can be aligned with different laser beams.
  • the sensors can also be sensitive to different wavelengths or polarizations and thus to different scattering functions of one and the same particle by means of optical filters. For this purpose, as described above, a plurality of laser beams of different wavelength or
  • Polarization irradiated which have the same beam path in the measuring range.
  • detectors are used which separate the wavelengths.
  • the angle-dependent relationship between particle diameter and scatter function can be determined with commonly available programs for calculating Mie scattering.
  • the data of the detectors are preferably continuously read out and processed by means of electronics and / or software.
  • the processing can take place either by means of a computer, a digital signal processor (DSP), a microcontroller or an FPGA, collectively referred to as "controller.”
  • DSP digital signal processor
  • the image data is transmitted to the controller and the image data stream can be analyzed directly After the controller properties, the real-time advantages of the system are reduced:
  • Laser beam illumination reduces the particle overlap and only compares a small image stripe, or only one line in the case of one-dimensional detectors, compared to two-dimensional IPI measurement techniques
  • Software is able to process the data continuously and in real time
  • the evaluation time for using a single hundred-particle image frame is seconds, since extensive image processing is required From the sensor, frame rates ranging from a few 10Hz (standard CCD arrays) to mid-range (CCD lines and FPGAs) can be continuously generated and processed. Only then will it be possible to add enough particles
  • the measurement volume of the method corresponds to the entire observed part of the laser beam.
  • particles are illuminated which are contained along the propagation direction of the laser beam in the liquid.
  • Measuring volume very large, which allows more particles to be analyzed per time than with point measuring techniques.
  • the number of particles to be observed via the resolution of the camera and / or the widening of the laser beam can be set very easily.
  • a multiphase flowing liquid is measured, which in addition to the liquid particles and / or gas particles (nuclei) non-spherical and / or contains inhomogeneous particles (solid particles), wherein the liquid particles / gas particles and the solid particles produce different scattered light information, and in the
  • the process can separate solid particles and seeds during the evaluation.
  • Other measuring techniques can only separate solids and germs statistically. This results for the first time in the possibility of a quantitative real-time capable germ concentration measurement, for example in cavitation channels or for oil concentration measurement in
  • Oil-droplet-laden flows for process monitoring.
  • the signal processing is designed to estimate the size of homogeneous and spherical particles (nuclei) and also to detect non-spherical and / or inhomogeneous particles (solid particles). In the evaluation is between
  • Liquid particles / gas particles and solid particles distinguished and it can be separated from disturbing influences by solid particles only the desired
  • Size determination of the solid particles are used, as indicated below.
  • the solid particle concentration is substantially greater than the germ concentration, for example in cavitation channels or at
  • the germ spectrum of the bubbles and droplets would perish in the noise of the solid particle distribution and would no longer be detectable. As a result, the germ concentration estimate would be falsified.
  • the method can be distinguished between the particle classes and each class a particle can be assigned. That it can be distinguished whether it is an (approximately) radially symmetric, spherical liquid or gas particle, or instead a solid particle.
  • homogeneous spherical particles generate on the detector an interference fringe pattern which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam (FIG. 2a), since the signal-effective highlights all lie in the scattering plane. homogeneous Spherical particles can therefore be classified on the basis of the uniform orientation of the interference fringes perpendicular to the laser beam propagation.
  • a scattered light angle is typically selected in which only two stray light orders or two highlights dominate with respect to intensity. This results in a periodic
  • oblique interference fringe system Fig. 2b
  • the interference fringes are oblique, in other words oblique or not perpendicular to the
  • Speckle structures are thereby generated by comparatively large particles and large speckle structures of comparatively small particles (FIG. 2 d).
  • a method is thus also specified in which the size of solid particles is also determined or estimated on the basis of their scattered light information.
  • inhomogeneous and / or non-spherical solid particles of homogeneous spherical particles is thus distinguished in the case of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles, scattered light information is obtained in the form of an oblique interference fringe system or in the form of speckles, and in the case of homogeneous spherical Particles in which an interference fringe pattern is obtained, which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam.
  • the signal processing analyzes the structure of the images.
  • the nuclei size is estimated on the basis of the image frequency or the number of stripes in the defocused image and the geometric arrangement. A further evaluation with respect to several superimposed strip systems can be used to distinguish between bubbles and drops
  • the evaluation, separation and parameter estimation can be done in the original area, in the
  • Image frequency range in the correlation range or by pattern recognition
  • Detectors only one section is analyzed by the two-dimensional scattering function.
  • the number and sizes of intensity maxima can be determined, the number of which is a measure of the particle size.
  • the number of stripes in the defocused pictures is proportional to the frequency of the stripes.
  • the defocused images can also be analyzed for their frequency in the image frequency range.
  • spectral estimation methods such as the Fourier transformation, the Hilbert transformation, wavelets or the Wigner-Will transformation can be used.
  • a periodicity estimate is also in the correlation range, e.g. about the autocorrelation, possible.
  • the method determines the diameter of the homogeneous and spherical bubbles and / or
  • Liquid drops The proportionality or the relationship can be calculated by means of general available scattered light programs (see Albrecht et al., 2003).
  • the separation of homogeneous spherical particles from inhomogeneous / non-spherical is carried out in the method based on the defocused images. If there is no periodic structure oriented perpendicular to the laser beam propagation, the method classifies the particles as non-spherical / inhomogeneous. This evaluation can also take place in the original range, in the image frequency range and in the correlation range. For the solid particles (FIG. 2b, FIG. 2c, FIG. 2d), the method can determine the integral length dimension and thus the maximum expansion of the particles from the minimum strip frequency or the fall in the autocorrelation function. In addition to simple classical signal processing methods can also
  • Pattern estimation method and method for Schmvor- and Profbachbearbeitung are used.
  • an algorithm may be used with one or more of the following steps:
  • Contrast enhancement for example, as indicated in Short et al, A Comparison of
  • Threshold calculation for example, by Otsu's algorithm or by manually entering the threshold
  • frequency histograms of the analyzed particle sizes are preferably generated.
  • the method can therefore germs (homogeneous spherical bubbles and drops) and
  • Germ concentration measurement for example in cavitation channels, for example
  • the method determines size spectra of particles and / or concentrations.
  • the size spectrum and / or the concentration of the germs are determined by determining a size-dependent detection volume.
  • the size spectrum and / or the concentration of the germs are determined as a function of the size-dependent detection volume.
  • the size-dependent detection volume becomes the weighting of the diameter distributions of the particles
  • Detection volume determined, based on the image intensity and the specific diameters of the germs, the parameters of the model are determined
  • the histograms of the diameter distributions determined by the signal processing are corrected or weighted with the aid of the diameter-dependent detection volumes such that all frequencies relate to a uniform volume. This results in the size spectra and concentrations of the homogeneous spherical particles, i. the bubbles and / or drops of liquid.
  • the inhomogeneous intensity profile of the laser beam is such that small particles near the maximum intensity of the beam can still be detected, while large particles in the outer region produce similarly intense signals.
  • Detection threshold only reach for positions near the laser beam axis.
  • Detection volume is therefore a thin cylinder. Larger particles are also detected farther outside. The detection volume is therefore a thicker cylinder. Even larger particles will oversteer the receiver at positions in the laser beam axis and only generate evaluable signals in the edge regions of the laser beam. Thus, the detection volume is a hollow cylinder.
  • the method defines a model for the particle diameter-dependent detection volume as a function of the intensity distribution in the laser beam cross-section. Based on the image intensity and the intended
  • Diameters of the germs can determine the parameters of the detection volume model become. Subsequently, the frequency histograms are corrected with the help of the volumes, so that the germ spectra and the germ concentration can be determined.
  • the particle size-dependent detection volume can be determined more accurately in comparison to other methods. Furthermore, the detection volume can be specified for a large diameter range and grows only slowly with the particle diameter. This is compared to others
  • the measurement results such as size spectra and / or the concentration can be output continuously and output on conventional display devices.
  • storage devices and storage means may be present to store data and
  • the method can be used in all areas in which distributions and concentration of homogeneous spherical particles in multiphase flowing liquids, in particular with additional inhomogeneous and / or non-spherical particles, are to be determined.
  • the method is a method for continuously determining the sizes and / or the concentration of nuclei in a multiphase flowing liquid in a cavitation channel, in particular a water flow with bubbles and solid particles in a cavitation channel.
  • the method can also be used to determine the size spectrum and the concentration of oil drops in liquids.
  • the method is a method for the continuous determination of oil drops in water, which with Oil is contaminated. Examples are process water from industrial processes, oil-polluted natural waters, picture water or sewage treatment water, which have already been mentioned in the introduction.
  • the method is the multiphase flowing liquid
  • Creek water, river water, sea water or lake water ie a water flow in the open sea, a river / brook or an inland lake.
  • These waters can be analyzed, for example, for oil droplet sizes and concentrations, as already mentioned above, or additionally to other liquid or gas particles. If additional solid particles are present in the flow, they can be used in the
  • the method is used in a chemical reactor, in particular a reactor in which a reaction between a gas and a
  • Liquid is performed, for example, a bubble column.
  • concentration of bubbles germs
  • Contaminants or solid particles are present in the flow, these can be separated during the evaluation, as indicated above.
  • the invention relates to a cavitation channel, comprising a device that is capable of continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing
  • Liquid is arranged inside the Kavitationskanals, wherein the device comprises the following components:
  • a laser light source for irradiating a laser beam into the liquid and for illuminating particles in the liquid
  • an optical device for collecting scattered light of the particles wherein the optical device is arranged to capture scattered light from particles which are contained in the liquid along the propagation direction of the laser beam
  • a detector which is set up for the defocused imaging of a section of the scattering function of the particles in order to obtain scattered-light information
  • a processing device which is set up for the continuous processing of the scattered light information and for determining the sizes and / or the concentration of the gas and / or liquid particles.
  • the processing device is arranged to distinguish between the solid particles on the one hand and the gas and / or liquid particles on the other hand if the multiphase flowing liquid also has inhomogeneous and / or non-spherical solid particles.
  • the general term "particle" used in the previous paragraph in the laser light source, the optical device and the detector also includes the solid particles and these components are set up accordingly.
  • the invention relates to a chemical reactor comprising such a device.
  • Fig. 1 shows a first variant of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a variant of the method according to the invention with a plurality of beams
  • FIG. 4 shows a variant of the method according to the invention in which beams from a laser Doppler device are used
  • Fig. 6 is a side view of the laser beam with illuminated particles
  • Fig. 8 Use of laser beams of a point measuring technique (PDA) in
  • Fig. 1 1 a-d measurement of a particle size distribution as a function of pressure
  • FIG. 1 shows a first experimental setup.
  • a laser beam 1 1 is irradiated by means of a coherent laser light source 2.
  • the laser beam 1 1 is irradiated only locally at the point P, while at
  • Section surface 16 through the liquid flow 1 can be transverse or parallel to
  • the laser beam 1 which may be a laser beam adapted to the measuring task, strikes a particle 12 and illuminates the particle. Also illuminated is another particle 13, also along the
  • Propagation direction of the laser beam is contained in the liquid 1.
  • scattered light beams 14, 15 are generated, which under the
  • Stray light angle 5 hit a defocusing optics 4.
  • the scattered light 14, 15 to a detector 3, designed as imaging optics, passed.
  • the imaging optics 3 may be, for example, a line camera, an area camera or a multi-channel camera. From the imaging optics 3, the signal is forwarded to the processing device 17, for example to a computer in which the signal is processed by means of an evaluation algorithm. Not shown
  • User interfaces or output devices such as displays, screens, etc.
  • FIGS. 2a to 2d show different scattered light information obtained with different particle types.
  • Interference fringe pattern which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam (Fig. 2a), since the signal effective highlights all in the Spreading plane lie.
  • the highlights of inhomogeneous or non-spherical particles (solid particles), on the other hand, are randomly distributed on the surface, or the entire particle / the entire particle surface diffuses the incident light diffusely.
  • an oblique interference fringe system results, which may also be non-periodic (FIG. 2b).
  • speckles are displayed. Small speckle structures (FIG. 2 c) are thereby generated by comparatively large particles and large speckle structures (FIG. 2 d) of comparatively small particles.
  • FIG. 3 shows a test setup in which a plurality of laser beams 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c are irradiated.
  • the distance of the laser beams 1 1 a-c is chosen so that defocusing images of different beams do not overlap or hardly overlap.
  • the particle 12 is illuminated by the laser beam 1 1 a and the particle 13 of the laser beam 1 1 b.
  • FIG. 3 It is also possible to irradiate the laser beams 1 1 a-c not parallel and not coming from the same direction at different locations in the liquid 1.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which two laser beams 20, 21 originate from a device 10, which can also be used for another, laser-based measuring method.
  • the device 10 is a laser Doppler transmitting unit for determining the flow velocity of the liquid 1.
  • the laser Doppler transmitting unit for determining the flow velocity of the liquid 1.
  • the two laser beams 20, 21 crossed and focused in the measuring range. At the same time, the beams 20, 21 for measurement in the context of
  • the laser beam 20 illuminates a particle 12, whereby a scattered light 14 is generated.
  • a scattered light 14 is generated.
  • Figure 5a shows a defocused image as obtained by a prior art IPI process.
  • a defocused image as shown in FIG. 5a is obtained when a light-section is irradiated over a large area and not at points onto a sample. On the picture you get many different particles, however, often overlap and have a low intensity due to the surface illumination with the laser light source. As a result, the information obtained is difficult to analyze.
  • Fig. 5b shows a defocused image as obtained by spot irradiation of a laser beam into a flowing liquid receiving particles. You only recognize few particles on one image, in this case two particles.
  • the particles do not overlap and have a high contrast, because in the considered measurement volume (analysis region), which is relatively small, the full laser intensity is irradiated. For these reasons, the picture is easy to analyze. For reliable statistics, a high number of images is generated.
  • Fig. 6 shows an image with a spherical particle and a solid particle (in the middle). Many other particles make the horizontal laser beam by scattering visible.
  • FIGS. 7-1 to 7-10 show a temporal image sequence. It shows how a bubble structure goes through a laser beam.
  • the laser beam is stationary and the liquid, which is the
  • Bubble structure contains, flows.
  • the recording was done at 22kHz.
  • the bubble in the middle shown in the middle of the pictures is larger (higher number of stripes) and thus more intense than the smaller bubbles (smaller number of stripes).
  • the big bubbles are shown in more frames than the small ones, which undervalue small bubbles and therefore there is still a measuring volume correction.
  • Fig. 8 shows the use of laser beams of another measurement technique.
  • Point Measurement PDA
  • IPI Interferometric Particle Imaging
  • Fig. 10a-d shows red and green laser IPI on a selected bubble.
  • Fig. 10a shows the interference fringe pattern with red laser and
  • Fig. 10b shows the associated spectrum (2D PSD).
  • Fig. 10c shows the green laser interference fringe pattern and
  • Fig. 10d shows the associated spectrum (2D PSD).
  • FIG. 11 ad shows the measurement of a particle size distribution as a function of changes in pressure and oxygen content, evaluated and recorded over time on a flow channel in real time.
  • FIG. 11 ad shows the measurement of a particle size distribution as a function of changes in pressure and oxygen content, evaluated and recorded over time on a flow channel in real time.
  • FIGS. 1 ad are pressure (lower curve) and oxygen content (upper curve)
  • the distribution covers only homogeneous spherical particles
  • the time window of the picture is indicated on the abscissa, marked with a double line
  • Figures 2a-2d show different types of particles after recording: Figure 2a shows a bubble, Fig. 2a 2b shows a crystal, Fig. 2c a (relatively) large solid particle and Fig. 2d a relatively small solid particle.

Abstract

The invention relates to a method and a device for continuously determining the sizes and/or the concentration of liquid particles and/or gas particles in a multi-phase flowing liquid (1) laden with liquid particles and/or gas particles and furthermore with heterogeneous and/or aspherical particles, comprising the following steps: illuminating homogeneous spherical liquid particles and/or gas particles (12, 13) and heterogeneous and/or aspherical particles by means of a laser beam (11), wherein particles (12, 13) that are contained in the liquid along the propagation direction of the laser beam are illuminated; catching scattered light of the illuminated particles (12, 13) at a scattering angle (5) or a plurality of scattering angles by means of one or more optical apparatuses (4); imaging sections of the scattering function of the particles on one or more detectors (3) in a defocussed manner; continuously processing the scattered-light information by means of a processing apparatus (17) and distinguishing heterogeneous and/or aspherical particles from homogeneous spherical particles; determining the sizes of the homogeneous spherical particles from interference patterns; and determining size spectra and/or the concentration of the homogeneous spherical particles while adhering to size-dependent detection volumes. The invention further relates to a device for carrying out such a method.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Größenspektren und der Konzentration von Partikeln in einer mehrphasigen Flüssigkeitsströmung und Kavitationskanal  Method for determining the size spectra and the concentration of particles in a multiphase liquid flow and cavitation channel
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mehrphasigen Flüssigkeitsströmung sowie einen Kavitationskanal, aufweisend eine The present invention relates to a method for the continuous determination of the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase liquid flow as well as a cavitation channel, comprising a
Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer Flüssigkeitsströmung Apparatus for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a liquid flow
Die Bestimmung von Partikelgrößen- und Partikelkonzentrationsspektren in Strömungen ist bei einer Vielzahl von Anwendungen von Interesse. Partikel sind Inhomogenitäten, die lokal die Stoff eigenschaften ändern. Speziell in Flüssigkeitsströmungen existieren meist zwei Arten von Partikel. Zum einen sind Feststoffpartikel, z.B. Staub, Schmutzpartikel, Abrieb, Ru ß, organische Rückstände etc. vorhanden. Diese haben meist eine Undefinierte Form und sind oft auch inhomogen. Zum anderen sind Flüssigkeitstropfen oder Blasen vorhanden, die im Folgenden auch als Keime bezeichnet werden sollen. Beispiele hierfür sind Wassertropfen in Öl, Öltropfen in Wasser oder auch Luftblasen in Wasser oder Öl. Diese besitzen meist eine glatte Oberfläche sind homogen und bei hinreichend kleiner Größe sphärisch oder nahezu sphärisch. Die The determination of particle size and particle concentration spectra in flows is of interest in a variety of applications. Particles are inhomogeneities that locally change the properties of the substance. Especially in liquid flows there are usually two types of particles. On the one hand, solid particles, e.g. Dust, dirt particles, abrasion, Ru ß, organic residues etc. available. These usually have an undefined shape and are often inhomogeneous. On the other hand, there are liquid drops or bubbles, which will also be referred to below as germs. Examples include water drops in oil, oil drops in water or air bubbles in water or oil. These usually have a smooth surface are homogeneous and spherical in a sufficiently small size or almost spherical. The
Charakterisierung und Konzentrationsbestimmung letzterer Partikel (Keime) bei zusätzlicher Anwesenheit von inhomogenen/nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) in Characterization and concentration determination of the latter particles (germs) with additional presence of inhomogeneous / non-spherical particles (solid particles) in
Flüssigkeitsströmungen ist für eine Reihe von Prozessen notwendig und soll an drei beispielhaften Prozessen verdeutlicht werden. Liquid flow is necessary for a number of processes and will be illustrated by three exemplary processes.
Für die Prognose der Kavitation an Schiffspropellern, Rudern oder in Pumpen werden Kavitationsversuche durchgeführt, bei denen das Auftreten und die Art der Kavitation in Abhängigkeit von den eingestellten Parametern wie Druck, Temperatur, Sauerstoffsättigung, Strömungsgeschwindigkeit untersucht werden. Ein weiterer Parameter ist die For the prediction of cavitation on ship propellers, oars or in pumps cavitation tests are carried out in which the occurrence and type of cavitation depending on the set parameters such as pressure, temperature, oxygen saturation, flow rate are investigated. Another parameter is the
Keimkonzentration in der Zuströmung. Diese hat ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf den Beginn, die Art, die Ausdehnung und die Hysterese der Kavitation. Beispielsweise werden Blasen aus der Zuströmung in einem Unterdruckgebiet aufgeweitet und Kavitation entsteht. Feststoffpartikel oder auch sehr kleine Blasen (<10μηι) dagegen wirken nach der gängigen Definition nicht als Keime. Zur Definition des Arbeitspunktes der Kavitationskanäle wäre demnach eine Messtechnik von Vorteil, welche die Partikel detektiert und hinsichtlich Feststoff partikel oder Blasen klassifiziert. Zusätzlich dazu sollte eine Größenbestimmung sowie eine Konzentrations- bzw. Flussbestimmung der Keime erfolgen, da der Einfluss auf die Kavitation abhängig vom Größenspektrum und von der Konzentration ist. Aufgrund des Strömungsumlaufs im Kavitationskanal wirken die am zu untersuchende Objekt erzeugten Kavitationsblasen zum Teil nach einem Umlauf wieder als Keime. Bei Änderung der Betriebsparameter benötigt der Tunnel demnach eine gewisse Zeit um einen stabilen Zustand zu erreichen. Des Weiteren kann ein Unterschied in der Keimkonzentration entstehen, wenn der Arbeitspunkt über verschiedene Betriebsparameter, wie Germ concentration in the inflow. This also has a decisive influence on the onset, type, extent and hysteresis of cavitation. For example, bubbles are expanded from the inflow in a negative pressure area and cavitation arises. Solid particles or very small bubbles (<10μηι) on the other hand act according to the common definition not as germs. For the definition of the operating point of the Kavitationskanäle therefore a measurement technique would be advantageous, which detects the particles and in terms Classified solid particles or bubbles. In addition, a size determination and a concentration or flow determination of the germs should be made, since the influence on the cavitation depends on the size spectrum and on the concentration. Due to the flow circulation in the cavitation channel, the cavitation bubbles generated on the object to be investigated act in part again as germs after one revolution. When changing the operating parameters, the tunnel therefore requires a certain amount of time to reach a stable state. Furthermore, a difference in germ concentration may arise when the operating point is affected by various operating parameters, such as
Strömungsgeschwindigkeit oder Druck angefahren wird. Dies entspricht einer Hysterese. Um das Erreichen des Arbeitspunktes quantifizieren zu können ist eine kontinuierliche zeitaufgelöste Messung wünschenswert, die in Echtzeit Konzentrationen und Spektren der Keime liefert. Dieses Vorgehen kann auch auf die Keimkonzentrationsbestimmung in größerem Maßstab, z.B. im Nachstrom eines Schiffes, erweitert werden. Auch hier haben die Blasen Einfluss auf die Kavitation am Propeller und am Ruder des Schiffes. Flow velocity or pressure is approached. This corresponds to a hysteresis. To be able to quantify the achievement of the operating point, a continuous time-resolved measurement is desirable, which provides concentrations and spectra of the germs in real time. This procedure can also be applied to larger scale seed concentration determination, e.g. in the wake of a ship, to be extended. Again, the bubbles affect the cavitation on the propeller and the rudder of the ship.
Als zweiter beispielhafter Prozess aus dem Stand der Technik sei der Gausaustauch zwischen einer fluiden Phase und eine dispersen gasförmigen Phase, z.B. Blasen im Meer, Blasen in chemischen Reaktoren wie Blasensäulen, genannt. Um solche Prozesse zu überwachen oder zu regeln muss sowohl die Konzentration der Blasen (Keime) als auch deren Größenspektrum bekannt sein. Oft sind zusätzlich zu den Blasen noch weitere Verunreinigungen bzw. Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden, die die As a second exemplary process of the prior art, Gaussian exchange between a fluid phase and a disperse gaseous phase, e.g. Bubbles in the sea, bubbles in chemical reactors such as bubble columns, called. In order to monitor or regulate such processes, both the concentration of the bubbles (germs) and their size spectrum must be known. Often, in addition to the bubbles, other impurities or solid particles are present in the flow, which the
Konzentrationsbestimmung der Keime stören. Disturb concentration determination of the germs.
Als dritter beispielhafter Prozess aus dem Stand der Technik soll die As a third exemplary process of the prior art, the
Ölkonzentrationsbestimmung in Wasser angegeben werden. Bei der Einleitung von Oil concentration determination can be specified in water. At the initiation of
Schmutzwasser in Gewässer oder Kläranlagen darf häufig eine definierte Olkonzentration nicht überschritten werden (z.B. Abpumpen von Bilgewasser, Einleiten von  Dirty water in water bodies or sewage treatment plants must often not exceed a defined oil concentration (for example pumping out bilge water, discharging water)
Prozessflüssigkeiten aus der chemischen Industrie). Da das Öl tropfenförmig im Wasser vorhanden ist kann die Gesamtölkonzentration über Größen- und Process liquids from the chemical industry). Since the oil is drop-shaped in the water, the total oil concentration over size and
Konzentrationsbestimmung der Tropfen erfasst werden. In den meisten Prozessen sind jedoch zusätzlich auch sehr viele Feststoff partikel und Blasen in der Strömung vorhanden. Diese verhindern eine verlässliche in situ Bestimmung der Olkonzentration. Daher werden im allgemeinen Proben genommen und diese ex situ mit großer Zeitverzögerung in Laboren analysiert. Derzeit verfügbare berührungslose optische in-situ Partikelmesstechniken sind prinzipiell in der Lage, die Konzentration von homogenen sphärischen Partikeln in Zweiphasen- Strömungen zu bestimmen. Allerdings sind der apparative Aufwand und damit die Kosten der Messsysteme meistens sehr hoch. Hinzu kommt, dass bei den meisten Messsystemen, gerade bei abbildenden Messtechniken, die Signal- und Bildverarbeitung sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Echtzeitfähige Systeme, wie z.B. die punktuell messende Phasen-Doppler Technik, besitzen andererseits meist eine geringe Datenrate, da das Detektionsvolumen sehr klein ist. Aufgrund der geringen Partikelstatistik sind wiederum Messungen in Echtzeit nicht möglich. Concentration determination of the drops are detected. In most processes, however, also a lot of solid particles and bubbles are present in the flow. These prevent a reliable in situ determination of the oil concentration. Therefore, in general, samples are taken and analyzed ex situ with great time delay in laboratories. Currently available non-contact optical in situ particle measurement techniques are in principle capable of determining the concentration of homogeneous spherical particles in two-phase flows. However, the expenditure on equipment and thus the costs of the measuring systems are usually very high. In addition, signal processing and image processing take up a great deal of time in most measuring systems, especially with imaging measurement techniques. On the other hand, real-time systems such as the point-measuring phase Doppler technique usually have a low data rate since the detection volume is very small. Due to the low particle statistics again measurements in real time are not possible.
Die bekannten Messtechniken werden stets zur Messung in Zweiphasenströmungen eingesetzt. Bei den meisten Anwendungen besteht die disperse Phase aus The known measuring techniques are always used for measurement in two-phase flows. In most applications, the disperse phase consists of
Flüssigkeitstropfen in einer Gasströmung, z.B. bei Zerstäubungsprozessen. Disperse Phasen in einer Flüssigkeitsströmung wären Blasen oder eine nichtmischbare Flüssigkeit (z.B. Öl) in einer anderen Flüssigkeit (z.B. Wasser). Die bekannten Messtechniken können hierfür eingesetzt werden, soweit die Bedingung der Zweiphasenströmung erfüllt ist. Keine der Messtechniken ist jedoch in der Lage in einer mehrphasigen Strömung (zwei disperse Phasen in einer fluiden Phase) eine Klassifizierung der unterschiedlichen dispersen Phasen vorzunehmen. Die bisher verfolgten Ansätze validieren lediglich die Signale der einen dispersen Phase um Messfehler auszuschließen. Drops of liquid in a gas flow, e.g. in sputtering processes. Disperse phases in one liquid flow would be bubbles or an immiscible liquid (e.g., oil) in another liquid (e.g., water). The known measuring techniques can be used for this, as far as the condition of the two-phase flow is met. However, none of the measuring techniques is capable of classifying the different disperse phases in a multiphase flow (two disperse phases in a fluid phase). The previously pursued approaches validate only the signals of a disperse phase to exclude measurement errors.
Weiterhin liefert eine einfache Detektion und Größenbestimmung der Keime in der Regel einen fehlerbehafteten Konzentrationswert. In allen optischen Messsystemen ist die Furthermore, a simple detection and size determination of the germs usually provides a faulty concentration value. In all optical measuring systems is the
Detektionswahrscheinlichkeit der Partikel abhängig von deren Größe. Werden z.B. kleine Partikel aufgrund einer geringeren Streuung und eines damit kleineren Detektionsvolumens seltener detektiert als große, ist die Häufigkeitsverteilung der Ereignisse mit einem systematischen Fehler beaufschlagt, bekannt auch als Randzonenfehler. Die Korrektur zur Rekonstruktion der des„wahren" Partikelgrößenspektrums muss messsystemspezifisch erfolgen, da sich die Detektionsvolumina der Verfahren stark unterscheiden. Im Folgenden sollen derzeit verfügbare optische Messtechniken mit dem Potential der Größen- und Konzentrationsbestimmung kurz aufgelistet werden und die Nachteile hinsichtlich der Keimkonzentrationsbestimmung angegeben werden: Detection probability of particles depending on their size. If e.g. small particles due to a lower scattering and thus a smaller detection volume detected less often than large, the frequency distribution of events is subjected to a systematic error, also known as edge zone error. The correction for the reconstruction of the "true" particle size spectrum must be specific to the measuring system, since the detection volumes of the methods differ greatly.
Phasen-Doppler (PD-) Verfahren (Albrecht et al. 2003): Bei der Phasen Doppler Messtechnik werden Einzelpartikel in einem kleinen Messvolumen von zwei Laserstrahlen beleuchtet. Die Phasendifferenz zwischen zwei örtlich separierten Streulichtempfängern ist ein Maß für die Partikelgröße unter der Voraussetzung homogener sphärischer Einzelpartikel. Durch weitere Detektoren kann der Messbereich erweitert werden und es können Phase Doppler (PD) method (Albrecht et al., 2003): In the phase Doppler measurement technique, individual particles are illuminated in a small measuring volume by two laser beams. The phase difference between two spatially separated scattered light receivers is a measure of the Particle size assuming homogenous single spherical particles. With additional detectors, the measuring range can be extended and it can
nichtsphärische/inhomogene Partikel detektiert werden. Bei der Phasen-Doppler-Technik wird ein kleines Messvolumen zugrunde gelegt, welches eine geringe Datenrate (Partikel pro Zeit) bedingt. Dies stellt einen Nachteil der PD-technik dar, da für umfangreichere nonspherical / inhomogeneous particles are detected. The phase Doppler technique is based on a small measurement volume, which requires a low data rate (particles per time). This represents a disadvantage of the PD technology, since for more extensive
Partikelstatistiken lange Messzeiten notwendig werden. Damit ist die, für die oben gegebenen Anwendungen notwendige Echtzeitfähigkeit nicht gegeben. Particle statistics long measurement times are necessary. Thus, the real-time capability necessary for the applications given above is not given.
Nachteile dieser Technik sind weiterhin ein hoher Justageaufwand, ein kleines Disadvantages of this technique are still a high adjustment effort, a small
Messvolumen, eine geringe Datenrate, ein hoher apparativer Aufwand und hohe Kosten. Weiterhin ist die Phasen-Doppler Technik nicht in der Lage, die nichtvalidierten Partikel zu klassifizieren. Es besteht nicht die Möglichkeit zwischen systembedingten Measuring volume, a low data rate, a high expenditure on equipment and high costs. Furthermore, the phase Doppler technique is unable to classify the unvalidated particles. There is no possibility between systemic
Messunsicherheiten (z.B. Rauschen), der Streuung von zwei Partikeln im Messvolumen, deformierten Partikeln der einen dispersen Phase und Partikeln einer anderen dispersen Phase zu unterscheiden. Measurement uncertainties (such as noise), the dispersion of two particles in the measurement volume, deformed particles of a disperse phase and particles of another disperse phase to distinguish.
Zeitverschiebungsmesstechnik (ZVM) (Albrecht et al. 2003): Die Partikelgröße wird durch die Messung der Zeitverschiebung der Streulichtsignale ermittelt. Gegenüber der häufig eingesetzten und technisch ähnlichen Phasen-Doppler-Anemometrie bietet die Time shift measurement technology (ZVM) (Albrecht et al., 2003): The particle size is determined by measuring the time shift of the scattered light signals. Compared to the commonly used and technically similar phase Doppler anemometry offers the
Zeitverschiebungsmesstechnik unter anderem die Vorteile eines flexibleren optischen Zugangs und die Möglichkeit mehrere Phasen und damit Blasen und Feststoffpartikel zu unterscheiden. Nachteile dieser Technik sind wie bei der Phasen-Doppler Technik ein hoher Justageaufwand, ein hoher apparativer Aufwand und damit verbundene hohe Kosten sowie ein kleines Messvolumen und damit eine geringe Datenrate. Die geringe Datenrate verhindert wiederum, dass auch bei geringeren Anzahlkonzentrationen zuverlässige Time-shift measurement technology, among other things, the advantages of a more flexible optical access and the ability to differentiate several phases and thus bubbles and solid particles. Disadvantages of this technique are as in the phase Doppler technique a high adjustment effort, a high expenditure on equipment and associated high costs and a small measurement volume and thus a low data rate. The low data rate in turn prevents reliable even with lower number concentrations
Statistiken in Echtzeit gemessen werden können. Weiterhin ist derzeit keine Statistics can be measured in real time. There is currently no
größenabhängige Detektionsvolumenkorrektur bekannt und ein hoher apparativer Aufwand muss betrieben werden. Size-dependent detection volume correction known and a high expenditure on equipment must be operated.
Schattenabbildung (Shadow): Die Technik basiert auf einer Hintergrundbeleuchtung und einem bildgebenden Aufnahmeverfahren. Die Schattenabbildung kann Partikel unabhängig von Form und Material abbilden. Das Messvolumen ist durch die Tiefenschärfe und die Brennweite des bildgebenden Systems definiert. Im Hinblick auf die Genauigkeit sind Nachteile dieser Technik eine relativ ungenaue Messung abhängig vom Justageaufwand und eine direkte Intensitätsabhängigkeit der Messergebnisse von der Lichtquelle und der Belichtungszeit des Detektors. Der abgebildete Bereich bzw. des Messvolumens ist definiert über die Auflösung und die Pixelzahl der Kamera. Um eine Partikel-Größenauflösung ähnlich der PD-Technik von ca. 2μηι zu erreichen, ist eine Auflösung von ca. "Ι μηι bis 2 μηι/ΡίχβΙ notwendig. Bei verfügbaren Sensoren mit einigen Megapixel ergeben sich Abbildungsbereiche (Messvolumen) von einigen Quadratmillimetern. Bei geringer Partikelkonzentration führt dies ebenfalls zu geringen Datenraten. Weiterhin kann für kleine Partikel keine Klassifikation hinsichtlich der dispersen Phase vorgenommen werden, da die kleinen Abbildungen eine Unterscheidung der Form nicht zuverlässig ermöglichen. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Verfahren aufgrund des hohen Aufwandes der Shadow Imaging: The technique is based on backlighting and an imaging process. The shadow image can image particles regardless of shape and material. The measurement volume is defined by the depth of field and the focal length of the imaging system. In terms of accuracy, disadvantages of this technique are a relatively inaccurate measurement depending on the adjustment effort and a direct intensity dependence of the measurement results from the light source and the exposure time of the detector. The imaged area or the measuring volume is defined by the resolution and the pixel number of the camera. To achieve a particle size resolution similar to the PD technique of about 2μηι, a resolution of about " Ι μηι to 2 μηι / ΡίχβΙ is necessary.With available sensors with a few megapixels arise imaging ranges (measurement volume) of a few square millimeters Furthermore, small particles can not be classified with regard to the disperse phase, since the small images do not reliably enable a distinction to be made between the molds and the disadvantage of the method
Bildverarbeitung in dem hier präferierten Rahmen der Anwendungen nicht echtzeitfähig ist, keine Messvolumenkorrektur bietet und auch keine Unterscheidung zwischen  In the frame of the applications preferred here, image processing is not real-time capable, offers no measurement volume correction and also no distinction between
Feststoff Partikeln (z.B. raue Oberfläche) und Blasen bietet. Interferometric Particle Imaging (IPI): In G. König et al 1986 wurde ein Laserstrahl auf eine monodisperse Tropfenkette fokussiert. Mittels einer defokussierten Kamera wurde ein Teil der Streufunktion auf dem CCD-Sensor abgebildet und aus der Anzahl bzw. der örtlichen Frequenz der Streukeulen die Partikelgröße der homogenen sphärischen Tropfen bestimmt. Bei geringerer Defokussierung kann die über die Apertur der Empfangsoptik vorhandene Intensitätsverteilung der Streufunktion in einem lokalen Bereich auf dem Sensor abgebildet werden. Damit wird es möglich, mehrere Partikel gleichzeitig auf dem Sensor abzubilden. Im Gegensatz zur Schattenabbildung kann der abgebildete Bereich (Messvolumen) durch die Defokussierung von der Partikelgrößenauflösung nahezu entkoppelt werden und im Provides solid particles (e.g., rough surface) and bubbles. Interferometric Particle Imaging (IPI): In G. König et al., 1986, a laser beam was focused on a monodisperse droplet chain. By means of a defocused camera, part of the scattering function was imaged on the CCD sensor and the particle size of the homogeneous spherical droplets was determined from the number or the local frequency of the scattering lobes. With less defocusing, the intensity distribution of the scattering function present over the aperture of the receiving optics can be imaged in a local area on the sensor. This makes it possible to image several particles simultaneously on the sensor. In contrast to shadow imaging, the imaged area (measurement volume) can be nearly decoupled from the particle size resolution by the defocusing and can be decoupled in the
Vergleich zur Schattenabbildung können größere Messvolumina bei gleicher Compared to shadow imaging, larger volumes can be measured at the same
Größenauflösung realisiert werden. Size resolution can be realized.
Die Technik wurde auf die zweidimensionale Bestimmung der Partikelgröße homogener sphärischer Partikel erweitert und auch mit der Particle Image Velocimetry (Raffel et al. The technique was extended to the two-dimensional determination of the particle size of homogeneous spherical particles and also with the Particle Image Velocimetry (Raffel et al.
1998) zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit kombinbiert. Die derzeit verfügbaren Varianten der Technik sind unter den Bezeichnungen Interferometric Particle Imaging (IPI) (z.B. Damaschke et al.) oder ILIDS (z.B. Maeda et al. 2002) zu finden. 1998) to determine the particle velocity combined. The currently available variants of the art are found under the names Interferometric Particle Imaging (IPI) (e.g., Damaschke et al.) Or ILIDS (e.g., Maeda et al., 2002).
Die IPI-Technik hat im Hinblick auf die oben genannten Anwendungsbeispiele Nachteile bzw. kann für die entsprechenden Zielstellungen nicht eingesetzt werden. · Alle bisher realisierten IPI-Systeme charakterisieren entweder punktuell Einzelpartikel einer dispersen Phase (z.B. König 1986) oder nutzen einen Laserlichtschnitt zur zweidimensionalen Bestimmung der Partikelgröße (z.B. Maeda et al 2002, Damaschke et al. 2005) einer dispersen Phase in einer Ebene. Vorteil einer Messung mittels The IPI technique has disadvantages with respect to the above-mentioned application examples or can not be used for the corresponding objectives. · All previously realized IPI systems either characterize individual particles of a disperse phase (eg, König 1986) or use a laser light beam two-dimensional determination of the particle size (eg Maeda et al 2002, Damaschke et al., 2005) of a disperse phase in one plane. Advantage of a measurement by means
Laserlichtschnitt ist die gleichzeitige Messung mehrerer Partikel die sich in der Laser light section is the simultaneous measurement of several particles in the
Messebene befinden. Allerdings müssen die Bilddaten zunächst aus dem Flächensensor ausgelesen werden. Bei Bildgrößen von einem Megapixel und mehr können aufgrund des beschränkten Pixeltaktes kontinuierlich nur Frameraten von maximal ca. 100Hz erreicht werden. Bei Hochgeschwindigkeitskameras mit höheren Frameraten werden die Daten zunächst in einem Speicher abgelegt und anschließend (off-line) ausgelesen bzw. übertragen. Damit sind kontinuierliche Messungen als Voraussetzung für eine Measuring level. However, the image data must first be read out of the area sensor. With image sizes of one megapixel and more, due to the limited pixel clock, only frame rates of a maximum of approx. 100Hz can be continuously achieved. In high-speed cameras with higher frame rates, the data is first stored in a memory and then read (off-line) or transmitted. Thus, continuous measurements are a prerequisite for a
Echtzeitfähigkeit hinsichtlich der zeitlichen Auflösung auf ca. 100Hz begrenzt. Dies ist ein Grund warum derzeit mit keinem IPI-System kontinuierliche Messungen in Echtzeit zur Prozessüberwachung möglich sind. Ein zweiter Nachteil ist darin zu sehen, dass die defokussierten Abbildungen der Partikel stark überlappen. Da für eine genaue Statistik möglichst alle Einzelpartikel identifiziert bzw. detektiert werden müssen, ist die Real-time capability limited in time resolution to about 100Hz. This is one reason why no IPI system currently allows continuous, real-time process monitoring measurements. A second disadvantage is that the defocused images of the particles strongly overlap. Since, if possible, all individual particles must be identified or detected for accurate statistics, the
Auswertung der defokussierten Abbildungen hinsichtlich der Bildverarbeitung sehr komplex und benötigt viel Rechenzeit. Die aufgenommenen Bilder können nicht in Echtzeit verarbeitet werden. Alle bisher realisierten IPI-Systeme nehmen zunächst eine Bildsequenz auf, die anschließend off-line analysiert wird. Dabei übertrifft die Analysezeit die Aufnahmezeit in der Regel um mehr als eine Größenordnung. Eine kontinuierliche Verarbeitung von IPI-Aufnahmen, als Voraussetzung für eine Echtzeitmesstechnik ist derzeit nicht realisiert. Da die Kreisdetektion speziell bei relativ hohen Evaluation of the defocused images in terms of image processing very complex and requires a lot of computing time. The captured images can not be processed in real time. All previously implemented IPI systems initially record a sequence of images, which is then analyzed off-line. The analysis time usually exceeds the recording time by more than an order of magnitude. Continuous processing of IPI recordings, as a prerequisite for real-time metrology, is currently unrealized. Since the circle detection especially at relatively high
Partikelkonzentrationen nicht mehr möglich ist, wurden spezielle astigmatische Particle concentrations are no longer possible, were special astigmatic
Empfangsoptiken realisiert (z.B. Maeda et al. 2002), die die Partikel nur in einer Richtung defokussieren und in der anderen fokussiert abbilden (optische Kompression). Es entstehen so statt flächiger Abbildungen Streifenabbildungen, die weniger überlappen sowie schneller und präziser lokalisiert werden können. Nachteil ist, dass die Reception optics realized (for example, Maeda et al., 2002), which defocus the particles in one direction only and focused in the other (optical compression). Instead of two-dimensional images, this produces strip images that overlap less and can be localized faster and more precisely. Disadvantage is that the
Empfangsoptik in spezieller Weise mit einer Zylinderlinse modifiziert werden muss. Des Weiteren wird auch hier der gesamte Flächensensor ausgelesen und durch die optische Kompression gehen Informationen zur Validierung verloren. Reception optics must be modified in a special way with a cylindrical lens. Furthermore, the entire area sensor is also read out here and information about the validation is lost due to the optical compression.
Weiterhin muss zur Beleuchtung mittels Lichtschnitt ein Pulslaser, meist Nd:YAG Furthermore, a pulsed laser, usually Nd: YAG, must be used for illumination by means of a light section
Pulslaser eingesetzt werden, da hohe Lichtenergien für die Belichtung notwendig sind. Die verwendeten Pulslaser sind dabei kostenintensiv. Pulsed laser can be used, since high light energies for the exposure are necessary. The pulse lasers used are costly.
Die bisher realisierten IPI-Systeme sind nicht in der Lage unterschiedliche disperse Phasen in mehrphasige Strömungen mit mehr als zwei Phasen zu unterscheiden und zu charakterisieren. Der überwiegende Teil der IPI-Anwendungen ist im Bereich der Zerstäubungstechnik zu finden. Die disperse flüssige Phase bildet dabei Tropfen die mit der IPI-Technik charakterisiert werden. Eine dritte disperse Phase tritt in diesen The IPI systems realized so far are not able to distinguish and characterize different disperse phases in multiphase flows with more than two phases. The vast majority of IPI applications is in the area of To find atomization technique. The disperse liquid phase forms drops which are characterized by the IPI technique. A third disperse phase occurs in these
Anwendungen nicht auf. Aufgrund von Tropfendeformationen und Mehrfachabbildungen kann es zu Messfehlern kommen, die die Streifenstruktur innerhalb der defokussierten Abbildung stören. In Damaschke et al. 2005 wurde zur Validierung der Messwerte eine zweites orthogonales Streifensystem durch zusätzliche Einstrahlung eines weiteren Laserlichtschnittes realisiert (Global-Phase-Doppler (GPD) Technik). Vorteil ist, dass zwei Größenmesswerte für einen Partikel vorliegen. Hiermit kann einerseits der  Applications not on. Due to drop deformations and multiple mappings, measurement errors can occur which disturb the stripe structure within the defocused image. In Damaschke et al. In 2005, a second orthogonal stripe system was realized by additional irradiation of another laser light section (Global Phase Doppler (GPD) technique) to validate the measured values. The advantage is that there are two size measurements for one particle. Hereby, on the one hand the
Messbereich erweitert werden und andererseits durch Vergleich der bestimmten  Measuring range can be extended and on the other hand by comparing the specific
Durchmesser der Messwert validiert werden. Die Generierung eines weiteren  Diameter of the measured value to be validated. The generation of another
Laserlichtschnittes ist jedoch optisch vergleichsweise aufwendig, da u.a. das Laserlicht über den gesamten Messbereich kohärent sein muss. Auch die GPD-Technik nutzt eine zweidimensionale Abbildung mit den oben beschriebenen Nachteilen und ist in der die Messdaten besser zu validieren. Eine Klassifikation mehrerer disperser Phasen ist auch mit der GPD Technik nicht möglich. Die GPD-Erweiterung wird lediglich zur Validierung der Messwerte der einen dispersen Phase genutzt.  However, laser light section is visually comparatively expensive, since u.a. the laser light must be coherent over the entire measuring range. The GPD technique also uses a two-dimensional image with the disadvantages described above and is better at validating the measurement data. A classification of several disperse phases is not possible with the GPD technique. The GPD extension is only used to validate the measured values of a disperse phase.
Die Nachteile der derzeit verfügbaren IPI Techniken sind damit die relativ hohe Kosten aufgrund von Pulslaserbeleuchtung und Lichtschnittgenerierung, keine kontinuierliche Datenaufnahme für eine Echtzeitfähigkeit, da eine umfangreiche Bildverarbeitung zur Detektion und Analyse der defokussierten Partikel notwendig ist, sowie keine The disadvantages of the currently available IPI techniques are thus the relatively high costs due to pulsed laser illumination and light section generation, no continuous data acquisition for a real-time capability, since extensive image processing for the detection and analysis of the defocused particles is necessary, as well as none
Unterscheidung von Keimen und Feststoff Partikeln. Differentiation of germs and solid particles.
Streulichtverfahren/Beugungsmesstechnik (Diff): Im Gegensatz zu den genannten Stray light method / Diffraction measurement (Diff): In contrast to the above
Zählverfahren sind der Hardwareaufwand, die Kosten, die Echtzeitfähigkeit und der Counting methods are the hardware costs, the costs, the real-time capability and the
Justageaufwand der Beugungsmesstechnik geringer. Bei der Beugungsmesstechnik wird ein Laserstrahl in den Messbereich eingekoppelt und das Streulicht mit einem segmentierten Detektor meist in Vorwärtsrichtung empfangen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass sich sehr viele Partikel innerhalb des Messvolumens befinden und aus der Überlagerung aller Streufunktionen der Partikel auf die Größenverteilung geschlossen werden kann. Es können damit jedoch lediglich statistische Aussagen über die Größenverteilung gemacht werden da keine Einzelpartikel charakterisiert werden und das Verfahren nicht zu den Zählverfahren zu rechnen ist. Damit können Größenspektren und Konzentrationen nicht anhand der Einzelpartikel geschätzt werden. Weiterhin ist das Verfahren nicht sensitiv gegenüber der Unterscheidung von Keimen und Feststoff Partikeln. Die Aufgabenstellung der Erfindung ist, möglichst viele der oben erläuterten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Adjustment effort of the diffraction measuring technique lower. In the diffraction measurement technique, a laser beam is coupled into the measuring range and the scattered light is usually received in the forward direction with a segmented detector. However, it is assumed that a large number of particles are within the measuring volume and can be deduced from the superposition of all scattering functions of the particles on the size distribution. However, it can only be used to make statistical statements about the size distribution since no individual particles are characterized and the method can not be expected to count. Thus, size spectra and concentrations can not be estimated from the individual particles. Furthermore, the method is not sensitive to the distinction of germs and solid particles. The object of the invention is to overcome as many of the above-described disadvantages of the prior art.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bestimmung des freien Gasgehalts, insbesondere bei Kavitationsprozessen. Die Wasserqualität, speziell der freie Gasgehalt, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Kavitation. Das Verfahren sollte eine Messung von Keimspektren und Keimkonzentrationen ermöglichen. Dabei sollten möglichst viele der nachfolgenden Randbedingungen für eine prozessnahe Messung erfüllt werden: in-situ Messung, Zählverfahren, ein geringer Installationsaufwand, geringe An object of the invention is to provide a method for determining the free gas content, in particular in cavitation processes. The water quality, especially the free gas content, has a decisive influence on the cavitation. The method should allow the measurement of germ spectra and microbial concentrations. As many as possible of the following boundary conditions should be fulfilled for a near-process measurement: in-situ measurement, counting method, low installation effort, low
Hardwarekosten, ein geringer Justageaufwand, Langzeitstabilität, eine kontinuierliche Messung, im Idealfall in Echtzeit. Hardware costs, low adjustment effort, long-term stability, continuous measurement, ideally in real time.
Ferner soll das Verfahren eine Unterscheidung von Keimen und Feststoffpartikeln ermöglichen. Furthermore, the method should allow a distinction of germs and solid particles.
Noch eine Aufgabe ist eine verlässliche und stabile Detektionsvolumenkorrektur. Yet another task is a reliable and stable detection volume correction.
Die oben genannten Aufgaben werden entweder durch das in Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst, oder durch vorteilhafte Ausgestaltungen, die in den Unteransprüchen angegeben sind. The above objects are achieved either by the method specified in claim 1, or by advantageous embodiments, which are specified in the subclaims.
Angegeben wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mit Disclosed is a method for the continuous determination of the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a with
Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln und weiterhin mit Feststoffpartikeln beladenen mehrphasigen strömenden Flüssigkeit, umfassend die folgenden Schritte: Liquid particles and / or gas particles and further with solid particles laden multiphase flowing liquid, comprising the following steps:
Einstrahlung eines Laserstrahls in die Flüssigkeit,  Irradiation of a laser beam into the liquid,
Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder homogenen sphärischen Gaspartikeln sowie von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln, wobei Partikel beleuchtet werden, die entlang der  Illumination of homogeneous spherical liquid particles and / or homogeneous spherical gas particles as well as of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles, particles which are illuminated along the
Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind,  Propagation direction of the laser beam are contained in the liquid,
Auffangen von Streulicht der beleuchteten Partikel unter einem Streuwinkel oder mehreren Streuwinkeln mit einer oder mehreren optischen Einrichtungen, defokussierte Abbildung von Ausschnitten der Streufunktion der Partikel auf einem oder mehreren Detektoren, sodass für Partikel Streulichtinformationen erhalten werden, kontinuierliche Verarbeitung der Streulichtinformationen mit einer Collecting scattered light of the illuminated particles at a scattering angle or multiple scattering angles with one or more optical devices, defocused imaging of sections of the scattering function of the particles on one or more detectors, so that scattered light information is obtained for particles, continuous processing of the scattered light information with a
Verarbeitungseinrichtung und Unterscheidung von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln von homogenen sphärischen Partikeln,  Processing device and distinction of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles of homogeneous spherical particles,
Bestimmung der Größen der homogenen sphärischen Partikeln aus  Determination of the sizes of the homogeneous spherical particles
Interferenzmustern,  Interference patterns,
Bestimmung von Größenspektren und/oder der Konzentration der homogenen sphärischen Partikel unter Beachtung von größenabhängigen Detektionsvolumina.  Determination of size spectra and / or the concentration of the homogeneous spherical particles taking into account size-dependent detection volumes.
Das Verfahren ist ein Verfahren zur berührungslosen, in-situ Bestimmung der The method is a method for non-contact, in situ determination of
Keimkonzentration, das aufgrund der optischen Konfiguration und der damit Germ concentration, due to the optical configuration and the so
zusammenhängenden Signalaufnahme und Verarbeitung wesentliche Vorteile gegenüber anderen optischen Verfahren zur Partikelcharakterisierung hat. coherent signal acquisition and processing has significant advantages over other optical particle characterization methods.
Mit dem Verfahren wird ein berührungsloses, prozessnahes, echtzeitfähiges und kostengünstiges Messverfahren zu Verfügung gestellt. Das Verfahren nutzt in seiner grundlegenden Ausführungsform einen sehr einfachen optischen Aufbau, der nur aus einem Laserstrahl und einer Abbildungsoptik besteht. Im Vergleich zu anderen Verfahren (Phasen Doppler Technik, IPI, Zeitverschiebungstechnik) kann es mit geringen Anschaffungs- und Betriebskostenkosten realisiert werden. Der einfache optische Aufbau bedingt im Vergleich zu anderen Verfahren auch eine einfache Installation, Justage, Handhabung, Anpassung und Wartung sowie einen mechanisch und optisch robusten Aufbau. The method provides a non-contact, process-oriented, real-time-capable and cost-effective measuring method. The method uses in its basic embodiment a very simple optical structure consisting only of a laser beam and an imaging optics. Compared to other methods (phase Doppler technique, IPI, time-shifting technique) it can be realized with low acquisition and operating costs. The simple optical design also requires a simple installation, adjustment, handling, adjustment and maintenance as well as a mechanically and optically robust construction compared to other methods.
Gleichzeitig reduziert sich der Aufwand für die Auswertung gegenüber anderen abbildenden Messtechniken (IPI, Schattenabbildung), da vergleichsweise wenige Partikel pro Abbildung detektiert werden und diese kaum überlappen. Da jedoch das Messvolumen gegenüber Punktmesstechniken (PDA) größer ist, ist die Datenrate höher. Bei höheren Framerate sind kontinuierliche Messungen möglich die Echtzeitanforderungen für die genannten At the same time, the expenditure for the evaluation is reduced compared to other imaging measurement techniques (IPI, shadow imaging), since comparatively few particles per image are detected and these barely overlap. However, since the measurement volume is larger than the point measurement techniques (PDA), the data rate is higher. At higher frame rates, continuous measurements are possible the real-time requirements for the mentioned
Anwendungen erfüllen. Die Frameraten können in speziellen Ausführungsformen durch Verwendung von Zeilenkameras und FPGAs bis in den oberen kHz-Bereich erhöht werden. Meet applications. The frame rates can be increased in specific embodiments by using line scan cameras and FPGAs up to the upper kHz range.
Mit dem Verfahren können Partikelgrößen und/oder -Konzentration hoch zeitaufgelöst in einer bewegten, strömenden Flüssigkeit, auch bezeichnet als„Mehrphasenströmung", dargestellt werden. Sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt, bezeichnet der Begriff „Partikel" Flüssigkeitspartikel (Flüssigkeitstropfen), Gaspartikel (Gasblasen) und inhomogene und/oder nichtsphärische Feststoff partikel. Sofern„inhomogene und/oder nichtsphärische Partikel" genannt sind, so werden diese auch als Feststoff partikel bezeichnet, insbesondere da Feststoffpartikel im Allgemeinen nichtsphärisch sind. With the method, particle sizes and / or concentrations can be represented as highly time-resolved in a moving, flowing liquid, also referred to as "multiphase flow." Unless the context indicates otherwise, the term "particles" designates liquid particles (liquid droplets), gas particles (Gas bubbles) and inhomogeneous and / or non-spherical solid particles. If "inhomogeneous and / or non-spherical particles" are mentioned, they also become particles as solid particles especially since solid particles are generally non-spherical.
Homogene sphärische Flüssigkeitstropfen oder Gasblasen werden im Folgenden, insbesondere in Bezug auf Kavitation, auch als„Keime" bezeichnet. Der Begriff „sphärisch" umfasst sowohl exakt sphärische als auch annähernd sphärische Gas- oder Homogeneous spherical liquid droplets or gas bubbles are also referred to below as "germs", in particular with regard to cavitation The term "spherical" encompasses both exactly spherical and approximately spherical gas or gas bubbles
Flüssigkeitspartikel bzw. Keime. Liquid particles or germs.
Mit der Erfindung können mit dem Verfahren Gasblasen und/oder Flüssigkeitstropfen einerseits und andererseits inhomogene/nichtsphärische Feststoffpartikel in einer Strömung unterschieden werden. Somit können mit dem Verfahren auch Keimkonzentrationen und Keimspektren in blasenbeladenen und/oder tropfenbeladenen Flüssigkeitsströmungen bestimmt werden, die zusätzlich inhomogene/nichtsphärische Feststoffpartikel enthalten. With the invention, gas bubbles and / or liquid drops on the one hand and on the other hand inhomogeneous / non-spherical solid particles in a flow can be distinguished with the method. Thus, the method can also be used to determine seed concentrations and seed spectra in bubble-laden and / or droplet-laden liquid streams which additionally contain inhomogeneous / non-spherical solid particles.
Es können mit dem Verfahren Keimspektren und Keimkonzentrationen in Flüssigkeiten, zur Bestimmung des freien Gasgehaltes des Wassers in Kavitationstunneln oder anderen Blasenströmungen ermittelt werden. Es ist dies auch möglich, wenn zusätzlich in der Strömung Feststoffpartikel vorhanden sind. The method can be used to determine germ spectra and microbial concentrations in liquids, to determine the free gas content of the water in cavitation tunnels or other bubble flows. This is also possible if in addition to the flow of solid particles are present.
Die einfache Geometrie des Detektionsvolumens im Vergleich zu anderen Verfahren begünstigt die Korrektur zur Schätzung von Durchmesserspektren und Konzentrationen. The simple geometry of the detection volume compared to other methods favors the correction for estimating diameter spectra and concentrations.
Weiterhin erlaubt das Messverfahren erstmals eine kontinuierliche, echtzeitfähige, robuste und kostengünstige Messung der Blasen-, Öltropfen- und Feststoffpartikelkonzentration in Flüssigkeitsströmungen. Weitere Vorteile des Verfahrens sind auch in der nachfolgenden detaillierten Erläuterung an passender Stelle angegeben. Furthermore, the measurement method allows for the first time a continuous, real-time capable, robust and cost-effective measurement of the bubble, oil drop and solid particle concentration in liquid flows. Further advantages of the method are also given in the following detailed explanation at an appropriate location.
Der Begriff„mehrphasige strömende Flüssigkeit" bezeichnet ein flüssiges Gemisch aus mehreren Phasen. Wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit Flüssigkeitspartikel enthält, bzw. damit beladen ist, so sind innerhalb einer zu einem überwiegenden Volumenanteil vorhandenen ersten Flüssigkeit Partikel (in diesem Fall Tropfen oder Tröpfchen) aus einer zweiten Flüssigkeit verteilt, wobei die erste und die zweite Flüssigkeit nicht mischbar sind. Ein Beispiel ist ein Gemisch aus Öltröpfchen in Wasser. Wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit Gaspartikel enthält, so sind darunter Gasblasen oder Gasbläschen zu verstehen, die innerhalb einer zu einem überwiegenden Volumenanteil vorhandenen ersten Flüssigkeit verteilt sind. Grundlage des Verfahrens ist die oben bereits erwähnte Interferometrische Partikel The term "multiphasic flowing liquid" refers to a liquid mixture of several phases: when the multiphase flowing liquid contains or is laden with liquid particles, particles (in this case drops or droplets) are made up within a first liquid present to a predominant volume fraction An example is a mixture of oil droplets in water. "When the multiphase flowing liquid contains gas particles, it is understood to mean gas bubbles or gas bubbles that within a predominant volume fraction existing first liquid are distributed. Basis of the method is the above-mentioned interferometric particles
Abbildungs-Messtechnik, abgekürzt als IPI (Interferometric Particle Imaging), die auf G. König, K. et al. zurückgeht. Die IPI Technik basiert auf Glanzpunkten von Laser-bestrahlten homogenen sphärischen oder annähernd sphärischen Partikeln. Ein In-Fokus Bild besteht aus mindestens zwei Glanzpunkten (Reflexion und Brechung erster Ordnung). Wenn der Grad der Defokussierung erhöht wird und die räumliche Auflösung des optischen Systems verringert wird, dann verschmelzen die beiden Glanzpunkte in ein einzelnes defokussiertes Bild mit Interferenzlinien. Bei sphärischen Partikeln, wie Flüssigkeitspartikeln und Imaging measurement technique, abbreviated as IPI (Interferometric Particle Imaging), which is directed to G. König, K. et al. declining. The IPI technique is based on highlights of laser-irradiated homogeneous spherical or nearly spherical particles. An in-focus image consists of at least two highlights (first-order reflection and refraction). As the degree of defocusing is increased and the spatial resolution of the optical system is reduced, the two highlights merge into a single defocused image with interference lines. For spherical particles, such as liquid particles and
Gaspartikeln, werden somit Streulichtinformationen in Form eines Interferenzmusters erhalten. Die Anzahl Interferenzstreifen ist eine Funktion des Partikeldurchmessers, des Streuwinkels, des Aperturwinkels, der Wellenlänge der Lichtquelle und des relativen Gas particles, thus scattered light information is obtained in the form of an interference pattern. The number of interference fringes is a function of the particle diameter, the scattering angle, the aperture angle, the wavelength of the light source, and the relative
Brechungsindex der Medien, sodass bei Kenntnis aller weiteren Parameter aus dem Refractive index of the media, so knowing all other parameters from the
Interferenzmuster, insbesondere der Anzahl Interferenzstreifen, die Partikelgröße ermittelt werden kann. Bei zusätzlicher Abhängigkeit der Interferenzstruktur vom Brechungsindex kann auch zwischen Flüssigkeitspartikeln und Gasblasen unterschieden werden. Die IPI- Technik ist in Grundlagen erläutert in Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336-350. Mathematische Hintergründe der IPI Technik sind erläutert in Albrecht et al. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer Verlag. Interference pattern, in particular the number of interference fringes, the particle size can be determined. With additional dependence of the interference structure of the refractive index can be distinguished between liquid particles and gas bubbles. The IPI technique is explained in Basics in Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336-350. Mathematical backgrounds of the IPI technique are explained in Albrecht et al. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer Verlag.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein kohärenter Laserstrahl in das Messvolumen, auch bezeichnet als" Messbereich", der Flüssigkeit eingestrahlt. Dadurch erfolgt eine Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder homogenen sphärischen Gaspartikeln sowie von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln in dem Messvolumen, wobei Partikel beleuchtet werden, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind. Dies hat eine Reihe von nachfolgend genannten Vorteilen. In the method according to the invention, a coherent laser beam is irradiated into the measuring volume, also referred to as "measuring range", of the liquid. This results in an illumination of homogeneous spherical liquid particles and / or homogeneous spherical gas particles as well as inhomogeneous and / or non-spherical solid particles in the measurement volume, wherein particles are illuminated, which are contained along the propagation direction of the laser beam in the liquid. This has a number of advantages listed below.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Partikel entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beleuchtet. Gegenüber den üblichen IPI-Verfahren wird jedoch kein In the method according to the invention, a plurality of particles are illuminated along the propagation direction of the laser beam. Compared to the usual IPI method but no
Laserlichtschnitt (light sheet) zur Beleuchtung einer größeren Ebene/Fläche oder eines größeren Volumens generiert. Es erfolgt eine linienförmige Beleuchtung mittels eines Laserstrahls. Mit einem eng lokalisierten, d.h. fokussierten, Laserstrahl wird nur ein Teil der strömenden Flüssigkeit linienhaft beleuchtet. Der Laserstrahl weist einen geringen Laser light section (light sheet) to illuminate a larger plane / area or a larger volume generated. There is a linear illumination by means of a laser beam. With a tightly localized, i. focused, laser beam is illuminated only part of the flowing liquid line. The laser beam has a small
Querschnitt im Vergleich zu einer gedachten Schnittfläche durch die Strömung auf. Es wird nur auf einen Teil einer gedachten Schnittfläche durch die Strömung lokal eingestrahlt, wobei sich der Laserstrahl durch die Strömung hindurch ausbreitet, und wobei die Cross-section compared to an imaginary sectional area due to the flow. It is irradiated locally only on a part of an imaginary sectional area by the flow, wherein the laser beam propagates through the flow, and wherein the
Ausbreitungsrichtung beliebig zur Strömungsrichtung orientiert sein kann. Weiterhin werden vergleichsweise nur wenige Partikel entlang des Laserstrahls beleuchtet und im Vergleich zu zweidimensionalen Messtechniken kann die Anzahl der beleuchteten Partikel erheblich reduziert werden. Dies schlägt sich direkt in einer stark reduzierten Überlappung der Propagation direction can be arbitrarily oriented to the flow direction. Furthermore, comparatively few particles are illuminated along the laser beam and compared to two-dimensional measurement techniques, the number of illuminated particles can be significantly reduced. This is directly reflected in a greatly reduced overlap of
Partikelabbildungen nieder, was wiederum höhere Partikelkonzentrationen erlaubt und eine vereinfachte Auswertung bedingt. Durch die vereinfachte Auswertung kann eine hohe Zeitauflösung erzielt werden. Nachfolgend wird das Verfahren in seinen einzelnen Aspekten beschrieben:  Particle images down, which in turn allows higher particle concentrations and requires a simplified evaluation. Due to the simplified evaluation, a high time resolution can be achieved. The following describes the method in its individual aspects:
Beleuchtunqsquelle/Sender: Beleuchtunqsquelle / transmitter:
Die Beleuchtung kann eine Dauerstrichbeleuchtung sein. Die Wellenlänge hängt dabei von der Verfügbarkeit von Arraydetektoren für die entsprechend genutzte Wellenlänge ab und geht im Allgemeinen vom Infrarot- bis und den UV-Bereich. Die Begriffe„Licht" und „Beleuchtung" umfassen somit in dieser Erfindung auch den IR- und UV-Bereich. Als The lighting can be a continuous-wave lighting. The wavelength depends on the availability of array detectors for the corresponding wavelength used and generally goes from the infrared to the UV range. The terms "light" and "illumination" thus also encompass the IR and UV ranges in this invention. When
Lichtquelle können beispielsweise kostengünstige Dauerstrichlaser verwendet werden, da die Streulichtintensität aufgrund der starken Fokussierung auch bei kurzen Belichtungszeiten des Sensors ausreichend ist. Die Dauerstrichlaser ermöglichen ebenfalls hohe Light source, for example, cost-effective continuous wave laser can be used, since the scattered light intensity is sufficient due to the strong focus even at short exposure times of the sensor. The continuous wave lasers also allow high levels
Bildwiederholraten (>1 kHz), die ansonsten nur von spezifischen Pulslasern realisiert werden können. Alternativ kann zum Beispiel eine Pulsbeleuchtung mittels Pulslaser eingesetzt werden. Durch die Nutzung eines einfachen symmetrischen Strahlprofils kann die Optik zur  Refresh rates (> 1 kHz), which otherwise can only be realized by specific pulse lasers. Alternatively, for example, a pulse illumination can be used by means of pulsed laser. By using a simple symmetrical beam profile, the optics for
Laserstrahlanpassung sehr einfach gestaltet werden oder sogar entfallen. Dies reduziert den Justageaufwand, den apparativen Aufwand und Hardwarekosten erheblich. Der Laser wird im Idealfall direkt in den Messbereich eingestrahlt, was im Hinblick auf die oben diskutierten Messtechniken dem einfachsten Aufbau entspricht.  Laser beam adjustment can be made very simple or even eliminated. This reduces the adjustment effort, the equipment and hardware costs considerably. The laser is ideally irradiated directly into the measuring range, which corresponds to the simplest structure with regard to the measuring techniques discussed above.
Da die Intensitätsverteilung eines mono-modigen Laserstrahls sehr gut mittels einer Since the intensity distribution of a mono-mode laser beam very well by means of a
Gaußverteilung beschrieben werden kann, ist die Bestimmung des Detektionsvolumens zur Korrektur der Durchmesserspektren sehr verlässlich. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Laserstrahlen in verschiedeneGaussian distribution can be described, the determination of the detection volume for the correction of the diameter spectra is very reliable. In one embodiment of the method, a plurality of laser beams are different
Messvolumina der Flüssigkeit eingestrahlt. Es handelt sich dabei vorzugsweise um zwei oder mehr Laserstrahlen gleicher Wellenlänge aber unterschiedlicher Position und/oder Measuring volumes of the liquid irradiated. These are preferably two or more laser beams of the same wavelength but different position and / or
Ausbreitungsrichtung. Vorzugsweise wird der Abstand der Laserstrahlen voneinander so gewählt, dass sich defokussierte Abbildungen von unterschiedlichen Strahlen nicht oder kaum überlappen, wodurch die bereits genannten Vorteile des Verfahren erhalten bleiben Mit dieser Ausführungsform werden die Anzahl der abgebildeten Partikel und damit die Datenrate erhöht. Propagation direction. Preferably, the distance of the laser beams from each other is selected so that defocused images of different beams do not overlap or hardly overlap, whereby the already mentioned advantages of the method are retained. With this embodiment, the number of imaged particles and thus the data rate are increased.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden zwei oder mehr überlagerte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge eingestrahlt. Der Begriff „überlagert" bedeutet, dass die zwei oder mehr Laserstrahlen eine unterschiedliche Wellenlänge aber eine gleiche Ausbreitung haben. Eine örtliche Überlagerung ist dabei nicht zwingend notwendig, aber vorteilhaft da die gleichen Partikel beleuchtet werden. Werden statt monochromatischem Laserlicht, zwei oder mehr überlagerte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet, wird für jede Laserwellenlänge jeweils eine Streulichtverteilung von denselben Partikeln generiert, die auf der Empfangsseite mittels optischer Farbfilter, mittels In a further embodiment of the method, two or more superposed laser beams of different wavelengths are irradiated. The term "superimposed" means that the two or more laser beams have a different wavelength but a same propagation.A local superimposition is not mandatory, but advantageous because the same particles are illuminated.By instead of monochromatic laser light, two or more superimposed laser beams used for different wavelengths, a scattered light distribution of the same particles is generated for each laser wavelength, on the receiving side by means of optical color filter, by means of
Zeitmultiplex oder mittels Frequenzanalyse des Bildes getrennt werden können. Als Beispiel sei hier angegeben, dass eine RGB Kamera gleichzeitig drei Streufunktionen für drei Wellenlängen separat erfassen kann. In einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl, oder mehrere Laserstrahlen (sofern mehrere Laserstrahlen verwendet werden) an die Messaufgabe bzw. die  Time division or frequency analysis of the image can be separated. As an example, it should be noted that an RGB camera can simultaneously detect three scatter functions for three wavelengths separately. In a further embodiment, the laser beam, or a plurality of laser beams (if several laser beams are used) to the measuring task or the
Partikelkonzentration angepasst aufgeweitet. Dies kann zum Beispiel eine symmetrische Aufweitung des Strahls zur Vergrößerung des Strahldurchmessers sein, was mit einer Optik nach dem Laser erfolgt. Auch unsymmetrische Strahlaufweitungen sind möglich. Hier ist darauf zu achten, dass nicht wie bei der Laserlichtschnittebeleuchtung, mehrere Partikel in Aufweitungsrichtung beleuchtet werden, da dadurch die vorteilhaften Eigenschaften der reduzierten Partikelanzahl und reduzierten Überlappung der defokussierten Abbildungen verlorengeht. In noch einer weiteren Ausführungsform entstammen der Laserstrahl, oder mehrere verwendete Laserstrahlen, aus einer Vorrichtung, welche in einem anderen, laserbasierten Messverfahren einsetzbar ist. Insbesondere entstammen der Laserlichtstrahl, oder mehrere verwendete Laserstrahlen, aus einem anderen, parallel verwendeten Messverfahren. In dieser Ausführungsform wird die Streuung von Laserstrahlen anderer Messtechniken auch für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt. Wird beispielsweise die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung mittels Laser-Doppler-Technik bestimmt, werden hierfür mindestens zwei sich kreuzende Laserstrahlen in den Messbereich fokussiert, die außer für die Particle concentration expanded appropriately. This can be, for example, a symmetrical expansion of the beam to increase the beam diameter, which is done with an optical system after the laser. Also asymmetrical beam expansions are possible. Here, care must be taken not to illuminate several particles in the widening direction, as in the case of laser light-section illumination, as this will lose the advantageous properties of the reduced particle number and reduced overlap of the defocused images. In yet another embodiment, the laser beam, or multiple laser beams used, originate from a device that can be used in another laser-based measurement method. In particular, the laser light beam or several laser beams used originate from another measuring method used in parallel. In this embodiment, the scattering of laser beams of other measuring techniques is also used for the method according to the invention. If, for example, the speed of the liquid flow is determined by means of laser Doppler technology, this will be at least two intersecting laser beams focused in the measuring range, which except for the
Geschwindigkeitsmessung auch im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speed measurement also in the sense of the inventive method for
Bestimmung von Partikelgrößen und -Konzentrationen genutzt werden. Damit kann der Hardwareaufwand noch weiter reduziert werden. In einer speziellen Variante wird als das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Laser-Doppler-Verfahren kombiniert. Determination of particle sizes and concentrations can be used. Thus, the hardware cost can be further reduced. In a special variant, the method according to the invention is combined with a laser Doppler method.
Detektor Die unter einem spezifischen Streulichtwinkel positionierte Empfangsoptik bildet die Streuung mittels einer Optik defokussiert auf einen mehrdimensionalen Detektor ab. Detector The receiving optics positioned under a specific scattered light angle image the scattering by means of an optic defocused onto a multidimensional detector.
Der spezifische Streulichtwinkel der Detektoren wird in Abhängigkeit vom relativen The specific scattered light angle of the detectors is dependent on the relative
Brechungsindex in zwischen Flüssigkeit und Keimen (homogene und sphärische Partikel) gewählt. Eine monotone Beziehung zwischen Interferenzstreifenanzahl (Anzahl der Streulichtkeulen) bzw. örtlicher Streifenfrequenz und Keimdurchmesser ist nur für zwei dominante Glanzpunkte gegeben. Diese können entweder für einen Laserstrahl durch zwei Streulichtordnungen, z.B. Brechung und Reflexion, oder durch zwei Laserstrahlen und eine dominante Streulichtordnung generiert werden. Sind mehr als zwei Glanzpunkte am Entstehen der aufgenommenen Streufunktion beteiligt, entstehen zusätzlich redundante Frequenzen in der Abbildung. Soweit diese über eine entsprechende Signalverarbeitung quantifiziert werden können, können die zusätzlichen Frequenzen zur Validierung, Refractive index chosen in between liquid and germs (homogeneous and spherical particles). A monotonic relationship between the number of interference fringes (number of scattered light lobes) and local fringe frequency and seed diameter is given only for two dominant highlights. These may either be for a laser beam through two stray light orders, e.g. Refraction and reflection, or generated by two laser beams and a dominant scattered light order. If more than two highlights are involved in the occurrence of the recorded scatter function, additional redundant frequencies occur in the image. Insofar as these can be quantified by appropriate signal processing, the additional frequencies for validation,
Stoffunterscheidung oder Messbereichserweiterung genutzt werden. In Albrecht et al 2003 und Damaschke et al. 2005 finden sich eine ausführliche Diskussion und Substance differentiation or range extension can be used. In Albrecht et al. 2003 and Damaschke et al. 2005 there is a detailed discussion and
Auslegungsrichtlinien für die Positionierung des Detektors in Abhängigkeit von den gewünschten Interferenzstrukturen Design guidelines for the positioning of the detector as a function of the desired interference structures
So beträgt der Streulichtwinkel, der Winkel zwischen eingestrahltem Licht und gestreutem Licht, beispielsweise für Luftblasen in Wasser, vorzugsweise etwa 80 bis etwa 120 °, da hier nur zwei Streulichtordnungen dominieren, mehr bevorzugt 80° bis 90°, da in diesem Bereich auch die Streulichtintensität größer ist als im Bereich 90 ° bis 120 °  Thus, the scattered light angle, the angle between irradiated light and scattered light, for example, for air bubbles in water, preferably about 80 to about 120 °, since only two stray light orders dominate, more preferably 80 ° to 90 °, since in this area, the scattered light intensity is greater than in the range 90 ° to 120 °
Der Grad der Defokussierung wird vorzugsweise so gewählt, dass die Partikelabbildungen nicht zu stark für die Auswertung überlappen aber auch nicht zu klein für die Analyse der Streufunktionen sind und dass das Signal für die folgende Signalverarbeitung ausreichend intensiv ist. Astigmatische Linsen können in der Optik zur besseren Lokalisierung und Helligkeits- und Kontrastverbesserung der defokussierten Abbildung eingesetzt werden. Zur Detektion wird gemäß einer Variante ein zweidimensionaler Detektor, z.B. ein Charge Coupled Device - CCD, ein Complementary Metal Oxide Semiconductor - CMOS, oder ein Smart-Pixel-Array, eingesetzt. Die defokussierten Abbildungen können aufgenommen und zur Weiterverarbeitung übertragen werden. The degree of defocusing is preferably selected such that the particle images do not overlap too much for the evaluation but are also not too small for the analysis of the scattering functions and that the signal is sufficiently intense for the following signal processing. Astigmatic lenses can be used in optics for better localization and brightness and contrast enhancement of the defocused image. According to one variant, a two-dimensional detector, for example a charge coupled device (CCD), a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) or a smart pixel array, is used for detection. The defocused images can be recorded and transferred for further processing.
Aufgrund der linienförmigen Beleuchtung mittels des Laserstrahls kann auch nur ein Due to the linear illumination by means of the laser beam can only one
Ausschnitt des Sensors (Aktivierung einer ROI, region of interest) genutzt werden. Dies ermöglicht höhere Frameraten und damit höhere Datenraten, welche für eine kontinuierliche Prozessüberwachung notwendig sind. Section of the sensor (activation of a ROI, region of interest) can be used. This enables higher frame rates and thus higher data rates, which are necessary for continuous process monitoring.
In einer weiteren Verfahrensvariante ist der Detektor ein eindimensionaler Detektor, beispielsweise eine CCD-Zeile, CMOS-Zeile, oder Photodiodenzeile. Damit wird nur ein eindimensionaler Teil der Streufunktion aufgenommen. Dies entspricht quasi nur einer Pixelzeile oder einem eindimensionalen Ausschnitt des zweidimensionalen Sensors. In a further variant of the method, the detector is a one-dimensional detector, for example a CCD line, CMOS line or photodiode line. This will only record a one-dimensional part of the scatter function. This corresponds to virtually only one row of pixels or a one-dimensional section of the two-dimensional sensor.
Vorzugsweise wird der eindimensionale Detektor senkrecht zu den Interferenzstreifen der homogenen sphärischen Partikel und damit parallel zur Laserstrahlausbreitung ausgerichtet, da so die Anzahl bzw. Frequenz der Interferenzstreifen für homogene sphärische Partikel bestimmt werden kann. Vorteil der Verwendung von 1 D-Sensoren sind die höheren  Preferably, the one-dimensional detector is aligned perpendicular to the interference fringes of the homogeneous spherical particles and thus parallel to the laser beam propagation, as this way the number or frequency of the interference fringes for homogeneous spherical particles can be determined. Advantage of using 1 D sensors are the higher
Frameraten und damit größere Partikeldichten. Frame rates and thus larger particle densities.
Als Erweiterung eines eindimensionalen Sensors ist der Einsatz zwei oder mehrerer paralleler Einzelsensoren möglich, die sowohl auf einem einzigen Chip integriert sein können als auch unabhängig voneinander aufgebaut sein können. Die Sensoren können einerseits auf verschiedene Laserstrahlen ausgerichtet sein. Andererseits können die Sensoren auch mittels optischer Filter sensitiv für unterschiedliche Wellenlängen oder Polarisationen und damit für unterschiedliche Streufunktionen ein und derselben Partikel sein. Hierfür werden, wie oben beschrieben, mehrere Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge oder As an extension of a one-dimensional sensor, the use of two or more parallel individual sensors is possible, which can be integrated both on a single chip and can be constructed independently of each other. On the one hand, the sensors can be aligned with different laser beams. On the other hand, the sensors can also be sensitive to different wavelengths or polarizations and thus to different scattering functions of one and the same particle by means of optical filters. For this purpose, as described above, a plurality of laser beams of different wavelength or
Polarisation eingestrahlt, die den gleichen Strahlengang im Messbereich aufweisen. In diesem Fall werden Detektoren eingesetzt, welche die Wellenlängen separieren. Polarization irradiated, which have the same beam path in the measuring range. In this case, detectors are used which separate the wavelengths.
Die winkelabhänge Beziehung zwischen Partikeldurchmesser und Streufunktion kann mit allgemein verfügbaren Programmen zur Berechnung der Mie-Streuung bestimmt werden. Siqnalaufnahme und Verarbeitung The angle-dependent relationship between particle diameter and scatter function can be determined with commonly available programs for calculating Mie scattering. Siqnalaufnahme and processing
Die Daten der Detektoren werden vorzugsweise mittels einer Elektronik und/oder Software kontinuierlich ausgelesen und verarbeitet. Die Verarbeitung kann sowohl mittels eines Computers, eines digitalen Signalprozessors (DSPs), eines Mikrokontrollers oder eines FPGA erfolgen, im Folgenden zusammenfassend„Controller" genannt. An den Controller werden die Bilddaten übermittelt, und der Bilddatenstrom kann direkt analysiert werden. Hieraus ergeben sich je nach Controller-Eigenschaften die Echtzeitvorteile des Systems. Da durch die Laserstrahlbeleuchtung die Partikelüberlappung reduziert wird und nur ein vergleichsweise kleiner Bildstreifen, bzw. nur eine Zeile im Falle von eindimensionalen Detektoren, ausgewertet werden muss, ist im Vergleich zu zweidimensionalen IPI- Messtechniken die Hardware und Software in der Lage, kontinuierlich und in Echtzeit die Daten zu verarbeiten. Bei zweidimensionalen IPI-Techniken liegt die Auswertezeit bei Nutzung von PCs für ein Einzelbild mit hundert Partikeln im Sekundenbereich, da eine umfangreiche Bildverarbeitung notwendig ist. Mit dem vorliegenden Verfahren können, in Abhängigkeit vom Sensor, Frameraten angefangen von einigen 10Hz (Standard CCD Arrays) bis in den mittleren kHz Bereich (CCD-Zeilen und FPGAs) kontinuierlich generiert und verarbeitet werden. Erst damit wird es möglich, ausreichend viele Partikel zu The data of the detectors are preferably continuously read out and processed by means of electronics and / or software. The processing can take place either by means of a computer, a digital signal processor (DSP), a microcontroller or an FPGA, collectively referred to as "controller." The image data is transmitted to the controller and the image data stream can be analyzed directly After the controller properties, the real-time advantages of the system are reduced: Laser beam illumination reduces the particle overlap and only compares a small image stripe, or only one line in the case of one-dimensional detectors, compared to two-dimensional IPI measurement techniques Software is able to process the data continuously and in real time For two-dimensional IPI techniques, the evaluation time for using a single hundred-particle image frame is seconds, since extensive image processing is required From the sensor, frame rates ranging from a few 10Hz (standard CCD arrays) to mid-range (CCD lines and FPGAs) can be continuously generated and processed. Only then will it be possible to add enough particles
charakterisieren um mittels einer umfangreicheren Statistik die Keimkonzentration in kurzer Zeit verlässlich schätzen zu können. characterize in order to be able to reliably estimate the germ concentration in a short time by means of a more comprehensive statistic.
Das Messvolumen des Verfahrens entspricht andererseits dem gesamten beobachteten Teil des Laserstrahls. Wie bereits erwähnt, werden in dem Verfahren Partikel beleuchtet, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind. On the other hand, the measurement volume of the method corresponds to the entire observed part of the laser beam. As already mentioned, in the method particles are illuminated which are contained along the propagation direction of the laser beam in the liquid.
Im Vergleich zu Punktmesstechniken (z.B. Phasen-Doppler-Technik) ist dieses Compared to point measuring techniques (e.g., phase Doppler technique) this is
Messvolumen sehr groß, womit mehr Partikel pro Zeit analysiert werden können als bei Punktmesstechniken. Um die Datenrate an die Auswertung anzupassen kann die Anzahl der zu beobachtenden Partikel über die Auflösung der Kamera und/oder die Aufweitung des Laserstrahls sehr einfach eingestellt werden. Measuring volume very large, which allows more particles to be analyzed per time than with point measuring techniques. In order to adapt the data rate to the evaluation, the number of particles to be observed via the resolution of the camera and / or the widening of the laser beam can be set very easily.
Separation von Partikeln und Größenschätzunq der Keime Separation of particles and size estimation of the germs
In dem Verfahren wird eine mehrphasige strömende Flüssigkeit vermessen, die zusätzlich zu den Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln (Keime) nicht-sphärische und/oder inhomogene Partikel (Feststoff partikel) enthält, wobei die Flüssigkeitspartikel/Gaspartikel und die Feststoffpartikel unterschiedliche Streulichtinformationen erzeugen, und bei der In the method, a multiphase flowing liquid is measured, which in addition to the liquid particles and / or gas particles (nuclei) non-spherical and / or contains inhomogeneous particles (solid particles), wherein the liquid particles / gas particles and the solid particles produce different scattered light information, and in the
Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration der Flüssigkeitspartikel/Gaspartikel die Feststoff partikel unberücksichtigt bleiben. Determination of the sizes and / or the concentration of the liquid particles / gas particles the solid particles are disregarded.
Das Verfahren kann Feststoffpartikel und Keime bei der Auswertung trennen. Andere Messtechniken können Feststoffe und Keime nur statistisch separieren. Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit einer quantitativen echtzeitfähigen Keimkonzentrationsmessung, beispielsweise in Kavitationskanälen oder zur Ölkonzentrationsmessung in The process can separate solid particles and seeds during the evaluation. Other measuring techniques can only separate solids and germs statistically. This results for the first time in the possibility of a quantitative real-time capable germ concentration measurement, for example in cavitation channels or for oil concentration measurement in
öltropfenbeladenen Strömungen, zur Prozessüberwachung. Oil-droplet-laden flows, for process monitoring.
Die Signalverarbeitung ist darauf eingerichtet, die Größe von homogenen und sphärischen Partikels (Keime) zu schätzen und zusätzlich auch nichtsphärische und/oder inhomogene Partikel (Feststoffpartikel) zu detektieren. Bei der Auswertung wird zwischen The signal processing is designed to estimate the size of homogeneous and spherical particles (nuclei) and also to detect non-spherical and / or inhomogeneous particles (solid particles). In the evaluation is between
Flüssigkeitspartikeln/Gaspartikeln und Feststoffpartikeln unterschieden und es können getrennt von störenden Einflüssen durch Feststoffpartikel nur die erwünschten Liquid particles / gas particles and solid particles distinguished and it can be separated from disturbing influences by solid particles only the desired
Messergebnisse für Flüssigkeitspartikel und Gaspartikel erhalten werden. Störende Signale von Feststoffpartikeln bleiben unberücksichtigt, können aber auch für eine Measurement results for liquid particles and gas particles are obtained. Disturbing signals from solid particles are ignored, but can also be used for a
Größenbestimmung der Feststoff partikel genutzt werden, wie unten angegeben. Size determination of the solid particles are used, as indicated below.
Typischerweise ist bei einer Flüssigkeit, die zusätzlich zu den Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln auch Feststoffpartikel enthält, die Feststoffpartikelkonzentration wesentlich größer als die Keimkonzentration, beispielsweise in Kavitationskanälen oder bei Typically, in the case of a liquid which also contains solid particles in addition to the liquid particles and / or gas particles, the solid particle concentration is substantially greater than the germ concentration, for example in cavitation channels or at
verunreinigtem Wasser. Bei Auswertung aller Partikel würde das Keimspektrum der Blasen und Tropfen im Rauschen der Feststoffpartikelverteilung untergehen und nicht mehr detektierbar sein. Im Ergebnis würde die Keimkonzentrationsschätzung verfälscht. contaminated water. Upon evaluation of all particles, the germ spectrum of the bubbles and droplets would perish in the noise of the solid particle distribution and would no longer be detectable. As a result, the germ concentration estimate would be falsified.
Vorteil des Verfahrens ist, dass dabei zwischen den Partikel-Klassen unterschieden werden kann und jedem einzelnen Partikel eine Klasse zugeordnet werden kann. D.h. es kann unterschieden werden, ob es sich um einen (annähernd) radialsymmetrischen, sphärischen Flüssigkeits- oder Gaspartikel, oder stattdessen um einen Feststoffpartikel handelt. Advantage of the method is that it can be distinguished between the particle classes and each class a particle can be assigned. That it can be distinguished whether it is an (approximately) radially symmetric, spherical liquid or gas particle, or instead a solid particle.
Homogene sphärische Partikel generieren auf dem Detektor ein Interferenzstreifenmuster welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist (Fig. 2a), da die signalwirksamen Glanzpunkte alle in der Streuebene liegen. Homogene sphärische Partikel können demnach anhand der einheitlichen Ausrichtung der Interferenzstreifen senkrecht zur Laserstrahlausbreitung klassifiziert werden. Homogeneous spherical particles generate on the detector an interference fringe pattern which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam (FIG. 2a), since the signal-effective highlights all lie in the scattering plane. homogeneous Spherical particles can therefore be classified on the basis of the uniform orientation of the interference fringes perpendicular to the laser beam propagation.
Liegen nur homogene sphärische Tropfen oder homogene sphärische Gasblasen vor wird typischerweise ein Streulichtwinkel gewählt, bei dem nur zwei Streulichtordnungen bzw. zwei Glanzpunkte bezüglich der Intensität dominieren. Damit ergibt sich ein periodisches If only homogeneous spherical droplets or homogeneous spherical gas bubbles are present, a scattered light angle is typically selected in which only two stray light orders or two highlights dominate with respect to intensity. This results in a periodic
Interferenzstreifensystem. Fringe system.
Sind in einer Strömung sowohl Flüssigkeitstropfen als auch Gasblasen vorhanden und sollen diese durch das Verfahren unterschieden werden wird ein Streulichtwinkel ausgewählt für den sich die Streifen in den defokussierten Abbildungen für Tropfen und Blasen If both liquid drops and gas bubbles are present in a flow and if these are to be distinguished by the method, a scattered light angle is selected for which the stripes in the defocused images for drops and bubbles are selected
unterscheiden. Dies kann entweder bei einem Laserstrahl über weitere Glanzpunkte und damit weitere periodische Anteile im Interferenzstreifensystem erfolgen (siehe Damaschke et al. 2005) oder über den Vergleich der Streufunktionen verschiedener Laserstrahlen die sich hinsichtlich Wellenlänge oder Polarisation unterscheiden. differ. This can be done either with a laser beam over further highlights and thus further periodic components in the interference fringe system (see Damaschke et al., 2005) or by comparing the scattering functions of different laser beams that differ in terms of wavelength or polarization.
Die Glanzpunkte von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) sind dagegen willkürlich auf der Oberfläche verteilt oder der gesamte Partikel / die gesamte Partikeloberfläche streut das einfallende Licht diffus. Im ersteren Fall wird In contrast, the highlights of inhomogeneous and / or non-spherical particles (solid particles) are randomly distributed on the surface, or the entire particle / the entire particle surface diffuses the incident light diffusely. In the former case will
Streulichtinformation in Form eines schrägen Interferenzstreifensystems (Fig. 2b), welches auch nichtperiodisch sein kann, erhalten. Bei einem schrägen Interferenzstreifensystem sind die Interferenzstreifen schräg, anders ausgedrückt schief oder nicht senkrecht, zur Scattered light information in the form of an oblique interference fringe system (Fig. 2b), which may also be non-periodic obtained. In an oblique interference fringe system, the interference fringes are oblique, in other words oblique or not perpendicular to the
Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert. Im zweiten Fall wird Propagation direction of the imaged laser beam oriented. In the second case will
Streulichtinformation in Form von Speckies (Flecken) erhalten (Fig. 2c, 2d). Kleine Scattered light information in the form of speckles (stains) obtained (Fig. 2c, 2d). little one
Specklestrukturen (Fig. 2c) werden dabei von vergleichsweise großen Partikeln und große Specklestrukturen von vergleichsweise kleinen Partikeln (Fig. 2d) generiert. In einer speziellen Variante wird somit auch ein Verfahren angegeben, bei dem auch die Größe von Feststoff Partikeln anhand ihrer Streulichtinformationen bestimmt oder abgeschätzt wird. Bei der Unterscheidung von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln von homogenen sphärischen Partikeln wird also unterschieden in den Fall von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln, wobei Streulichtinformationen in Form eines schrägen Interferenzstreifensystems oder in Form von Speckies erhalten werden, und in den Fall von homogenen sphärischen Partikeln, bei denen ein Interferenzstreifenmuster erhalten wird, welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist. Die Signalverarbeitung analysiert die Struktur der Abbildungen. Bei dominanten, senkrecht zur Laserausbreitungsrichtung ausgerichteten, periodischen Strukturen wird anhand der Bildfrequenz bzw. der Streifenanzahl in der defokussierten Abbildung und der geometrischen Anordnung die Keimgröße geschätzt. Eine weitere Auswertung hinsichtlich mehrerer überlagerter Streifensysteme kann zur Unterscheidung von Blasen und Tropfen Speckle structures (FIG. 2 c) are thereby generated by comparatively large particles and large speckle structures of comparatively small particles (FIG. 2 d). In a special variant, a method is thus also specified in which the size of solid particles is also determined or estimated on the basis of their scattered light information. In the distinction of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles of homogeneous spherical particles is thus distinguished in the case of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles, scattered light information is obtained in the form of an oblique interference fringe system or in the form of speckles, and in the case of homogeneous spherical Particles in which an interference fringe pattern is obtained, which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam. The signal processing analyzes the structure of the images. In the case of dominant periodic structures oriented perpendicular to the laser propagation direction, the nuclei size is estimated on the basis of the image frequency or the number of stripes in the defocused image and the geometric arrangement. A further evaluation with respect to several superimposed strip systems can be used to distinguish between bubbles and drops
herangezogen werden. be used.
Die Auswertung, Separation und Parameterschätzung kann im Originalbereich, im The evaluation, separation and parameter estimation can be done in the original area, in the
Bildfrequenzbereich, im Korrelationsbereich oder mittels mustererkennender Image frequency range, in the correlation range or by pattern recognition
Bildverarbeitungsverfahren/Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen. Im Falle von 1 D Image processing / image processing algorithms done. In case of 1 D
Detektoren wird jeweils nur ein Schnitt durch die zweidimensionale Streufunktion analysiert.  Detectors only one section is analyzed by the two-dimensional scattering function.
Im Originalbereich können typischerweise die Anzahl und Größen der Intensitätsmaxima bestimmt werden, deren Zahl ein Maß für die Partikelgröße ist. Die Streifenanzahl in den defokussierten Abbildungen ist proportional der Frequenz der Streifen. Demnach können die defokussierten Abbildungen auch hinsichtlich Ihrer Frequenz im Bildfrequenzbereich analysiert werden. Hierfür können spektrale Schätzverfahren, wie die Fourier- Transformation, die Hilbert-Transformation, Wavelets oder die Wigner-Wille Transformation eingesetzt werden. Eine Periodizitätsschätzung bzw. Streifenabstandsschätzung ist auch im Korrelationsbereich, z.B. über die Autokorrelation, möglich. In the original domain, typically the number and sizes of intensity maxima can be determined, the number of which is a measure of the particle size. The number of stripes in the defocused pictures is proportional to the frequency of the stripes. Accordingly, the defocused images can also be analyzed for their frequency in the image frequency range. For this purpose, spectral estimation methods, such as the Fourier transformation, the Hilbert transformation, wavelets or the Wigner-Will transformation can be used. A periodicity estimate is also in the correlation range, e.g. about the autocorrelation, possible.
Aus der Streifenanzahl, der Streifenfrequenz und/oder dem Streifenabstand bestimmt das Verfahren den Durchmesser der homogenen und sphärischen Blasen und/oder From the number of strips, the strip frequency and / or the strip spacing, the method determines the diameter of the homogeneous and spherical bubbles and / or
Flüssigkeitstropfen. Die Proportionalität oder der Zusammenhang kann mittels allgenmeine verfügbaren Streulichtprogrammen (siehe Albrecht et al. 2003) berechnet werden. Liquid drops. The proportionality or the relationship can be calculated by means of general available scattered light programs (see Albrecht et al., 2003).
Die Separation von homogenen sphärischen Partikeln von inhomogenen/nichtsphärischen erfolgt bei dem Verfahren anhand der defokussierten Abbildungen. Liegt keine senkrecht zur Laserstrahlausbreitung orientiert periodische Struktur vor, klassifiziert das Verfahren die Partikel als nichtsphärisch/inhomogen. Auch diese Auswertung kann im Originalbereich, im Bildfrequenzbereich und im Korrelationsbereich erfolgen. Für die Feststoffpartikel (Fig. 2b, Fig.2c, Fig.2d) kann das Verfahren aus der minimalen Streifenfrequenz bzw. dem Abfall der Autokorrelationsfunktion das integrale Längenmaß und damit eine maximale Ausdehnung der Partikel bestimmen. Neben einfachen klassischen Signalverarbeitungsverfahren können auch The separation of homogeneous spherical particles from inhomogeneous / non-spherical is carried out in the method based on the defocused images. If there is no periodic structure oriented perpendicular to the laser beam propagation, the method classifies the particles as non-spherical / inhomogeneous. This evaluation can also take place in the original range, in the image frequency range and in the correlation range. For the solid particles (FIG. 2b, FIG. 2c, FIG. 2d), the method can determine the integral length dimension and thus the maximum expansion of the particles from the minimum strip frequency or the fall in the autocorrelation function. In addition to simple classical signal processing methods can also
Musterschätzverfahren und Verfahren zu Bildvor- und Bildbachbearbeitung zum Einsatz kommen. Es kann beispielsweise ein Algorithmus mit einem oder mehreren der folgenden Schritte angewandt werden: Pattern estimation method and method for Bildvor- and Bildbachbearbeitung are used. For example, an algorithm may be used with one or more of the following steps:
- Kontrasterhöhung, beispielsweise wie angegeben in Short et al, A Comparison of Contrast enhancement, for example, as indicated in Short et al, A Comparison of
Photometrie Normalisation Algorithms for Face Verification, Sixth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG'04)Seoul, Korea ISBN: 0- 7695-2122-3  Photometry Normalization Algorithms for Face Verification, Sixth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG'04) Seoul, Korea ISBN: 0-7695-2122-3
Hintergrundentfernung durch Morphologie  Background removal by morphology
- Morphologie zur Entfernung von Sinuslinien - Morphology for the removal of sinus lines
Schwellenwertberechnung, beispielsweise durch Otsu's Algorithmus oder durch manuelle Eingabe des Schwellenwertes  Threshold calculation, for example, by Otsu's algorithm or by manually entering the threshold
Optionaler Wasserscheiden-Algorithmus zur Separierung überlappender Partikel Canny- Kantenerkennung an dem binarisierten Bild  Optional watershed algorithm for separating overlapping particles Canny edge detection on the binarized image
- Objekt Detektion, z.B. mit Suzuki & Abe Algorithmus (S. Suzuki, K. Abe. (1985) Object detection, e.g. with Suzuki & Abe Algorithm (S. Suzuki, K. Abe. (1985)
"Topological structural analysis of digital binary image by border following" CVGIP 30(l): 32-46)  "Topological structural analysis of digital binary image by border following" CVGIP 30 (l): 32-46)
Filtern der erkannten Objekte nach vorgegebenen Parameter wie z.B. dem  Filtering the detected objects according to predetermined parameters, e.g. the
Flächeninhalt, dem Verhältnis von Länge zu Breite und der Länge des Umfanges um falsch erkannte Objekte zu detektieren und aus der Berechnung zu entfernen  Area, the ratio of length to width and the length of the circumference to detect misrecognized objects and remove them from the calculation
In der Signalverarbeitung werden vorzugsweise Häufigkeitshistogramme der analysierten Partikelgrößen generiert. Das Verfahren kann demnach Keime (homogene sphärische Blasen und Tropfen) undIn the signal processing, frequency histograms of the analyzed particle sizes are preferably generated. The method can therefore germs (homogeneous spherical bubbles and drops) and
Feststoff partikel (inhomogene/nichtsphärische Partikel) bei der Auswertung einzeln trennen. Andere Messtechniken können Feststoffe und Keime nur statistisch separieren. Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit einer quantitativen echtzeitfähigen Separate solid particles (inhomogeneous / non-spherical particles) individually during the evaluation. Other measuring techniques can only separate solids and germs statistically. This results for the first time in the possibility of a quantitative real-time capable
Keimkonzentrationsmessung, beispielsweise in Kavitationskanälen, zur Germ concentration measurement, for example in cavitation channels, for
Prozessüberwachung. Process monitoring.
Größen- und Konzentrationsbestimmunq Size and Concentration Determination
Wie bereits erwähnt, werden mit dem Verfahren Größenspektren von Partikeln und/oder Konzentrationen ermittelt. Bei dem Verfahren werden die Größenspektrum und/oder die Konzentration der Keime durch Bestimmung eines größenabhängigen Detektionsvolumens bestimmt. Anders ausgedrückt, werden die Größenspektrum und/oder die Konzentration der Keime in Abhängigkeit des größenabhängigen Detektionsvolumens bestimmt. Insbesondere wird das größenabhängige Detektionsvolumen zur Gewichtung der Durchmesserverteilungen der Partikel As already mentioned, the method determines size spectra of particles and / or concentrations. In the method, the size spectrum and / or the concentration of the germs are determined by determining a size-dependent detection volume. In other words, the size spectrum and / or the concentration of the germs are determined as a function of the size-dependent detection volume. In particular, the size-dependent detection volume becomes the weighting of the diameter distributions of the particles
herangezogen. used.
Zur Bestimmung der Größenspektren und Konzentrationen aus den Histogrammen der Größenverteilungen werden vorzugsweise die folgenden Schritte durchgeführt: To determine the size spectra and concentrations from the histograms of the size distributions, the following steps are preferably carried out:
- anhand der Intensitätsverteilung des Lichts über den Querschnitt des Laserstrahls und der durchmesserabhängigen Intensität der Streufunktionen der homogenen sphärischen Partikel wird ein Modell eines vom Partikeldurchmesser abhängigen effektiven - Based on the intensity distribution of the light over the cross section of the laser beam and the diameter-dependent intensity of the scattering functions of the homogeneous spherical particles is a model of a dependent on the particle diameter effective
Detektionsvolumens ermittelt, wobei anhand der Bildintensität und den dazu bestimmten Durchmessern der Keime die Parameter des Modells bestimmt werden,  Detection volume determined, based on the image intensity and the specific diameters of the germs, the parameters of the model are determined
- die mit der Signalverarbeitung bestimmten Histogramme der Durchmesserverteilungen werden mit Hilfe der durchmesserabhängigen Detektionsvolumina derart korrigiert bzw. gewichtet, dass sich alle Häufigkeiten auf ein einheitliches Volumen beziehen. Damit ergeben sich die Größenspektren und Konzentrationen der homogenen sphärischen Partikel, d.h. der Blasen und/oder Flüssigkeitstropfen. - The histograms of the diameter distributions determined by the signal processing are corrected or weighted with the aid of the diameter-dependent detection volumes such that all frequencies relate to a uniform volume. This results in the size spectra and concentrations of the homogeneous spherical particles, i. the bubbles and / or drops of liquid.
Das inhomogene Intensitätsprofil des Laserstrahls ist derart, dass kleine Partikel nahe der Maximalintensität des Strahls noch detektiert werden können, während große Partikel in der Äußeren Region ähnlich intensive Signale erzeugen. Wie oben erwähnt, kann die The inhomogeneous intensity profile of the laser beam is such that small particles near the maximum intensity of the beam can still be detected, while large particles in the outer region produce similarly intense signals. As mentioned above, the
Intensitätsverteilung eines monomodigen Laserstrahls mittels einer Gau ßverteilung beschrieben werden. Zur Bestimmung der vorhandenen Partikel- bzw. Keimspektren und der Konzentrationen werden die Häufigkeitshistogramme mit dem effektiven Detektionsvolumen gewichtet. Kleine Partikel streuen tendenziell weniger Licht und werden deshalb die Intensity distribution of a monomode laser beam by means of a Gau ßverteilung be described. To determine the available particle or germ spectra and the concentrations, the frequency histograms are weighted with the effective detection volume. Small particles tend to scatter less light and therefore become the
Detektionsschwelle nur für Positionen nahe der Laserstrahlachse erreichen. Das Detection threshold only reach for positions near the laser beam axis. The
Detektionsvolumen ist demnach ein dünner Zylinder. Größere Partikel werden auch weiter außerhalb detektiert. Das Detektionsvolumen ist demnach ein dickerer Zylinder. Noch größere Partikel werden bei Positionen in der Laserstrahlachse den Empfänger übersteuern und nur in den Randbereichen des Laserstrahls auswertbare Signale generieren. Damit ist das Detektionsvolumen ein Hohlzylinder. Das Verfahren definiert in Abhängigkeit von der Intensitätsverteilung im Laserstrahlquerschnitt ein Modell für das Partikeldurchmesser- abhängige Detektionsvolumen. Anhand der Bildintensität und den dazu bestimmten Detection volume is therefore a thin cylinder. Larger particles are also detected farther outside. The detection volume is therefore a thicker cylinder. Even larger particles will oversteer the receiver at positions in the laser beam axis and only generate evaluable signals in the edge regions of the laser beam. Thus, the detection volume is a hollow cylinder. The method defines a model for the particle diameter-dependent detection volume as a function of the intensity distribution in the laser beam cross-section. Based on the image intensity and the intended
Durchmessern der Keime können die Parameter der Detektionsvolumenmodells bestimmt werden. Anschließend werden die Häufigkeitshistogramme mit Hilfe der Volumina korrigiert, so dass die Keimspektren und die Keimkonzentration bestimmt werden können. Diameters of the germs can determine the parameters of the detection volume model become. Subsequently, the frequency histograms are corrected with the help of the volumes, so that the germ spectra and the germ concentration can be determined.
Durch Nutzung eines dünnen definierten Laserstrahls kann das partikelgrößenabhängige Detektionsvolumen im Vergleich zu anderen Verfahren genauer bestimmt werden. Weiterhin kann das Detektionsvolumen für einen großen Durchmesserbereich angegeben werden und wächst nur langsam mit dem Partikeldurchmesser. Dies ist im Vergleich zu anderen By using a thin, defined laser beam, the particle size-dependent detection volume can be determined more accurately in comparison to other methods. Furthermore, the detection volume can be specified for a large diameter range and grows only slowly with the particle diameter. This is compared to others
Verfahren (Phasen Doppler, IPI mit Lichtschnitt) vorteilhaft, bei denen das Method (phases Doppler, IPI with light section) advantageous in which the
Detektionsvolumen mit dem Partikeldurchmesser schnell wächst bzw. für größere Partikel nicht mehr genau definierbar werden kann. Damit ergibt sich ein wesentlich größerer Dynamikbereich bei gleichzeitig besserer Korrektur. Zur Erläuterung und Gebrauch desDetection volume with the particle diameter grows quickly or can no longer be precisely defined for larger particles. This results in a much larger dynamic range with better correction. For explanation and use of the
Begriffes„Detektionsvolumen" (detection volume) wird auch auf die Publikation von Albrecht et al. 2003, insbesondere Kapitel 9 und Kapitel 12.2, verwiesen. The term "detection volume" is also referred to the publication by Albrecht et al., 2003, especially chapter 9 and chapter 12.2.
Erqebnisanzeiqe und Speicherunq Performance display and memory
Die Messergebisse, wie Größenspektren und/oder die Konzentration können kontinuierlich ausgegeben werden und auf üblichen Anzeigevorrichtungen ausgegeben werden. Ferner können Speichereinrichtungen und Speichermittel vorhanden sein, um Daten und The measurement results, such as size spectra and / or the concentration can be output continuously and output on conventional display devices. Furthermore, storage devices and storage means may be present to store data and
Bilddateien zu speichern. Save image files.
Spezielle Anwendungen des Verfahrens Special applications of the process
Das Verfahren kann in allen Bereichen angewandt werden, in denen Verteilungen und Konzentration homogener sphärischer Partikel in mehrphasigen strömenden Flüssigkeiten, insbesondere mit zusätzlichen inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln, bestimmt werden sollen. The method can be used in all areas in which distributions and concentration of homogeneous spherical particles in multiphase flowing liquids, in particular with additional inhomogeneous and / or non-spherical particles, are to be determined.
In einem speziellen Beispiel ist das Verfahren ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Keimen in einer mehrphasigen strömenden Flüssigkeit in einem Kavitationskanal, insbesondere einer Wasserströmung mit Blasen und Feststoff Partikeln in einem Kavitationskanal. In a specific example, the method is a method for continuously determining the sizes and / or the concentration of nuclei in a multiphase flowing liquid in a cavitation channel, in particular a water flow with bubbles and solid particles in a cavitation channel.
Das Verfahren kann auch eingesetzt werden zur Bestimmung des Größenspektrums und der Konzentration von Öltropfen in Flüssigkeiten. In einem weiteren speziellen Beispiel ist das Verfahren ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung von Öltropfen in Wasser, das mit Öl verunreinigt ist. Beispiele sind Prozesswasser aus industriellen Prozessen, ölverschmutze natürliche Gewässer, Bildewasser oder Kläranlagenwasser, die einleitend bereits erwähnt wurden. In einer weiteren Variante des Verfahrens ist die mehrphasige strömende FlüssigkeitThe method can also be used to determine the size spectrum and the concentration of oil drops in liquids. In another specific example, the method is a method for the continuous determination of oil drops in water, which with Oil is contaminated. Examples are process water from industrial processes, oil-polluted natural waters, picture water or sewage treatment water, which have already been mentioned in the introduction. In a further variant of the method is the multiphase flowing liquid
Bachwasser, Flusswasser, Meerwasser oder Binnenseewasser, also eine Wasserströmung in der freien See, einem Fluss/Bach oder einem Binnensee. Diese Gewässer können beispielsweise auf Öl-Tropfengrößen und -Konzentrationen analysiert werden, wie oben bereits erwähnt, oder zusätzlich auch auf andere Flüssigkeits- oder Gaspartikel. Sofern zusätzlich Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden sind, können diese bei der Creek water, river water, sea water or lake water, ie a water flow in the open sea, a river / brook or an inland lake. These waters can be analyzed, for example, for oil droplet sizes and concentrations, as already mentioned above, or additionally to other liquid or gas particles. If additional solid particles are present in the flow, they can be used in the
Auswertung separiert werden, wie oben angegeben. Evaluation are separated, as indicated above.
In noch einer Variante wird das Verfahren in einem chemischen Reaktor angewandt, insbesondere einem Reaktor, in dem eine Reaktion zwischen einem Gas und einer In yet another variant, the method is used in a chemical reactor, in particular a reactor in which a reaction between a gas and a
Flüssigkeit durchgeführt wird, beispielsweise einer Blasensäule. Zur Prozessüberwachung oder Regelung kann sowohl die Konzentration der Blasen (Keime) als auch deren Liquid is performed, for example, a bubble column. For process monitoring or control, both the concentration of bubbles (germs) and their
Größenspektrum bestimmt werden. Sofern zusätzlich zu den Blasen noch weitere Size range can be determined. If in addition to the bubbles even more
Verunreinigungen bzw. Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden sind, können diese bei der Auswertung separiert werden, wie oben angegeben. Contaminants or solid particles are present in the flow, these can be separated during the evaluation, as indicated above.
Vorrichtungen devices
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Kavitationskanal, aufweisend eine Vorrichtung, die zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mehrphasigen strömenden In a further aspect, the invention relates to a cavitation channel, comprising a device that is capable of continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing
Flüssigkeit innerhalb des Kavitationskanals eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten aufweist: Liquid is arranged inside the Kavitationskanals, wherein the device comprises the following components:
- eine Laserlichtquelle zur Einstrahlung eines Laserstrahls in die Flüssigkeit und zur Beleuchtung von Partikeln in der Flüssigkeit,  a laser light source for irradiating a laser beam into the liquid and for illuminating particles in the liquid,
- eine optische Einrichtung zum Auffangen von Streulicht der Partikel, wobei die optische Einrichtung zum Auffangen von Streulicht von Partikeln eingerichtet ist, welche entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind,  an optical device for collecting scattered light of the particles, wherein the optical device is arranged to capture scattered light from particles which are contained in the liquid along the propagation direction of the laser beam,
- einen Detektor, der zur defokussierten Abbildung eines Ausschnitts der Streufunktion der Partikel zum Erhalt von Streulichtinformationen eingerichtet ist, eine Verarbeitungseinrichtung, die zur kontinuierlichen Verarbeitung der Streulichtinformationen und zur Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration der Gas- und/oder Flüssigkeitspartikel eingerichtet ist. a detector which is set up for the defocused imaging of a section of the scattering function of the particles in order to obtain scattered-light information, a processing device which is set up for the continuous processing of the scattered light information and for determining the sizes and / or the concentration of the gas and / or liquid particles.
In einer speziellen Ausführungsform des Kavitationskanals ist die Verarbeitungseinrichtung zur Unterscheidung zwischen den Feststoff Partikeln einerseits und den Gas- und/oder Flüssigkeitspartikeln andererseits eingerichtet, wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit auch inhomogene und/oder nichtsphärische Feststoffpartikel aufweist. In diesem Fall umfasst der im vorigen Absatz bei der Laserlichtquelle, der optischen Einrichtung und dem Detektor verwendete allgemeine Begriff „Partikel" auch die Feststoffpartikel und diese Komponenten sind entsprechend eingerichtet. In a special embodiment of the cavitation channel, the processing device is arranged to distinguish between the solid particles on the one hand and the gas and / or liquid particles on the other hand if the multiphase flowing liquid also has inhomogeneous and / or non-spherical solid particles. In this case, the general term "particle" used in the previous paragraph in the laser light source, the optical device and the detector also includes the solid particles and these components are set up accordingly.
In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen chemischen Reaktor, aufweisend eine solche Vorrichtung. In yet another aspect, the invention relates to a chemical reactor comprising such a device.
Zur Erläuterung der Komponenten der Vorrichtung wird auf die vorangegangene To explain the components of the device is to the preceding
Beschreibung des Verfahrens verwiesen. Die oben genannten Komponenten können jeweils zur Durchführung der in dieser Beschreibung genannten Verfahrensschritte eingerichtet sein. Description of the method referenced. The abovementioned components can each be set up to carry out the method steps mentioned in this description.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: The invention will be described below with reference to exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 1 shows a first variant of the method according to the invention;
Fig. 2a-d defokussierte Abbildungen verschiedener Partikel; Fig. 2a-d defocused images of different particles;
Fig. 3 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Strahlen; 3 shows a variant of the method according to the invention with a plurality of beams;
Fig. 4 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Strahlen aus einem Laser-Doppler-Gerät verwendet werden; 4 shows a variant of the method according to the invention in which beams from a laser Doppler device are used;
Fig. 5 Vergleich einer Abbildung mit einem Lichtschnitt nach dem Stand der Fig. 5 Comparison of a figure with a light section according to the prior
Technik und mit einem Lasereinzelstrahl;  Technique and with a laser single beam;
Fig. 6 eine seitliche Ansicht des Laserstrahls mit beleuchteten Partikeln; Fig. 6 is a side view of the laser beam with illuminated particles;
Fig. 7.1 - 7.10 Bildfolge eines Durchgangs einer Blasenstruktur durch einen Laserstrahl; Fig. 8 Verwendung von Laserstrahlen einer Punktmesstechnik (PDA) im Fig. 7.1 - 7.10 image sequence of a passage of a bubble structure by a laser beam; Fig. 8 Use of laser beams of a point measuring technique (PDA) in
erfindungsgemäßen Verfahren; Fig. 9 Beleuchtung einer Probe mit hoher Teilchendichte;  inventive method; Fig. 9 Illumination of a sample with high particle density;
Fig. 10a-d Untersuchung Laserlicht verschiedener Wellenlänge; Fig. 10a-d examination laser light of different wavelengths;
Fig. 1 1 a-d Messung einer Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit von Druck- und Fig. 1 1 a-d measurement of a particle size distribution as a function of pressure and
Sauerstoffgehaltsänderungen über die Zeit an einem Strömungskanal.  Oxygen content changes over time on a flow channel.
In der Fig. 1 ist ein erster Versuchsaufbau gezeigt. In eine Messstrecke mit partikelbeladener Flüssigkeitsströmung 1 wird mittels einer kohärenten Laserlichtquelle 2 ein Laserstrahl 1 1 eingestrahlt. Der Laserstrahl 1 1 wird nur lokal im Punkt P eingestrahlt, während bei FIG. 1 shows a first experimental setup. In a measuring section with particle-laden liquid flow 1, a laser beam 1 1 is irradiated by means of a coherent laser light source 2. The laser beam 1 1 is irradiated only locally at the point P, while at
Verfahren nach dem Stand der Technik eine größere Fläche 16 ausgeleuchtet wird. Method according to the prior art, a larger area 16 is illuminated.
Schnittfläche 16 durch die Flüssigkeitsströmung 1 kann quer oder parallel zur Section surface 16 through the liquid flow 1 can be transverse or parallel to
Strömungsrichtung gewählt sein. Beispielhaft gezeigt ist, wie der Laserstrahl 1 1 , der ein an die Messaufgabe angepasster Laserstrahl sein kann, auf ein Partikel 12 trifft und das Partikel beleuchtet. Ebenfalls beleuchtet wird ein weiterer Partikel 13, der ebenfalls entlang derDirection of flow to be selected. It is shown by way of example how the laser beam 1 1, which may be a laser beam adapted to the measuring task, strikes a particle 12 and illuminates the particle. Also illuminated is another particle 13, also along the
Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit 1 enthalten ist. Bei der Beleuchtung der Partikel 12 und 13 werden Streulichtstrahlen 14, 15 erzeugt, die unter dem Propagation direction of the laser beam is contained in the liquid 1. In the illumination of the particles 12 and 13 scattered light beams 14, 15 are generated, which under the
Streulichtwinkel 5 auf eine defokussierende Optik 4 treffen. Von der defokussierenden Optik 4 wird das Streulicht 14, 15 zu einem Detektor 3, ausgebildet als abbildende Optik, geleitet. Die abbildende Optik 3 kann beispielsweise eine Zeilenkamera, eine Flächenkamera oder eine mehrkanalige Kamera sein. Von der abbildenden Optik 3 wird das Signal weitergeleitet zu der Bearbeitungseinrichtung 17, beispielsweise zu einem Computer, in welchem das Signal mittels eines Auswertealgorithmus verarbeitet wird. Nicht gezeigt sind Stray light angle 5 hit a defocusing optics 4. Of the defocusing optics 4, the scattered light 14, 15 to a detector 3, designed as imaging optics, passed. The imaging optics 3 may be, for example, a line camera, an area camera or a multi-channel camera. From the imaging optics 3, the signal is forwarded to the processing device 17, for example to a computer in which the signal is processed by means of an evaluation algorithm. Not shown
Benutzerschnittstellen bzw. Ausgabeeinrichtungen, wie Displays, Bildschirme etc. User interfaces or output devices, such as displays, screens, etc.
In den Fig. 2a bis 2d sind unterschiedliche Streulichtinformationen dargestellt, die bei unterschiedlichen Partikeltypen erhalten werden. FIGS. 2a to 2d show different scattered light information obtained with different particle types.
Radialsymmetrische sphärische Partikel generieren auf dem Detektor ein Radially symmetric spherical particles generate on the detector
Interferenzstreifenmuster welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist (Fig. 2a), da die signalwirksamen Glanzpunkte alle in der Streuebene liegen. Die Glanzpunkte von inhomogenen oder nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) sind dagegen willkürlich auf der Oberfläche verteilt oder der gesamte Partikel / die gesamte Partikeloberfläche streut das einfallende Licht diffus. Im ersteren Fall ergibt sich ein schräges Interferenzstreifensystem welches auch nichtperiodisch sein kann (Fig. 2b). Im zweiten Fall werden Speckies (Flecken) abgebildet. Kleine Specklestrukturen (Fig. 2c) werden dabei von vergleichsweise großen Partikeln und große Specklestrukturen (Fig. 2d) von vergleichsweise kleinen Partikeln generiert. Interference fringe pattern which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam (Fig. 2a), since the signal effective highlights all in the Spreading plane lie. The highlights of inhomogeneous or non-spherical particles (solid particles), on the other hand, are randomly distributed on the surface, or the entire particle / the entire particle surface diffuses the incident light diffusely. In the former case, an oblique interference fringe system results, which may also be non-periodic (FIG. 2b). In the second case, speckles are displayed. Small speckle structures (FIG. 2 c) are thereby generated by comparatively large particles and large speckle structures (FIG. 2 d) of comparatively small particles.
Fig. 3 zeigt einen Versuchsauf bau, in dem mehrere Laserstrahlen 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c eingestrahlt werden. Der Abstand der Laserstrahlen 1 1 a-c ist so gewählt, dass sich defokussierende Abbildungen von unterschiedlichen Strahlen nicht oder kaum überlappen. In dem gezeigten Beispiel wird der Partikel 12 von dem Laserstrahl 1 1 a beleuchtet und der Partikel 13 von dem Laserstrahl 1 1 b. Zu den anderen Bezugszeichen wird auf die Erläuterung zu Fig. 1 verwiesen. Es ist auch möglich, die Laserstrahlen 1 1 a-c nicht parallel und nicht aus der gleichen Richtung kommend an verschiedenen Stellen in die Flüssigkeit 1 einzustrahlen. FIG. 3 shows a test setup in which a plurality of laser beams 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c are irradiated. The distance of the laser beams 1 1 a-c is chosen so that defocusing images of different beams do not overlap or hardly overlap. In the example shown, the particle 12 is illuminated by the laser beam 1 1 a and the particle 13 of the laser beam 1 1 b. For the other reference numerals reference is made to the explanation of FIG. It is also possible to irradiate the laser beams 1 1 a-c not parallel and not coming from the same direction at different locations in the liquid 1.
In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der zwei Laserstrahlen 20, 21 aus einer Vorrichtung 10 entstammen, die auch zu einem anderen, laserbasierten Messverfahren einsetzbar ist. In diesem Fall ist die Vorrichtung 10 eine Laser-Doppler-Sendeeinheit zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 1 . Im Rahmen des Laser-FIG. 4 shows an embodiment in which two laser beams 20, 21 originate from a device 10, which can also be used for another, laser-based measuring method. In this case, the device 10 is a laser Doppler transmitting unit for determining the flow velocity of the liquid 1. As part of the laser
Doppler-Verfahrens werden die zwei Laserstrahlen 20, 21 gekreuzt und in den Messbereich fokussiert. Gleichzeitig werden die Strahlen 20, 21 zur Messung im Rahmen des Doppler method, the two laser beams 20, 21 crossed and focused in the measuring range. At the same time, the beams 20, 21 for measurement in the context of
erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. So beleuchtet beispielsweise der Laserstrahl 20 einen Partikel 12, wodurch ein Streulicht 14 erzeugt wird. Zur Erläuterung der weiteren Komponenten und Bezugszeichen wird auf die Fig. 1 verwiesen. used according to the invention. For example, the laser beam 20 illuminates a particle 12, whereby a scattered light 14 is generated. To explain the other components and reference numbers, reference is made to FIG. 1.
Die Fig. 5a zeigt eine defokussierte Abbildung, wie sie nach einem IPI-Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten wird. Eine defokussierte Abbildung wie in der Fig. 5a gezeigt erhält man, wenn man einen Lichtschnitt (light sheet) großflächig und nicht punktuell auf eine Probe einstrahlt. Man erhält auf der Abbildung viele verschiedene Partikel, die allerdings oftmals überlappen und aufgrund der flächigen Beleuchtung mit der Laserlichtquelle eine geringe Intensität aufweisen. Im Ergebnis sind die erhaltenen Informationen schwer zu analysieren. Die Fig. 5b zeigt eine defokussierte Abbildung, wie sie durch punktuelle Einstrahlung eines Laserstrahls in eine strömende Flüssigkeit, die Partikel erhält, erhalten wird. Man erkennt nur wenige Partikel auf einem Bild, in diesem Fall zwei Partikel. Es ist auch erkennbar, dass die Partikel nicht überlappen und einen hohen Kontrast aufweisen, weil in das betrachtete Messvolumen (Analyseregion), das relativ klein ist, die volle Laserintensität eingestrahlt wird. Aus diesen Gründen ist das Bild leicht zu analysieren. Für eine verlässliche Statistik wird eine hohe Bildzahl erzeugt. Figure 5a shows a defocused image as obtained by a prior art IPI process. A defocused image as shown in FIG. 5a is obtained when a light-section is irradiated over a large area and not at points onto a sample. On the picture you get many different particles, however, often overlap and have a low intensity due to the surface illumination with the laser light source. As a result, the information obtained is difficult to analyze. Fig. 5b shows a defocused image as obtained by spot irradiation of a laser beam into a flowing liquid receiving particles. You only recognize few particles on one image, in this case two particles. It can also be seen that the particles do not overlap and have a high contrast, because in the considered measurement volume (analysis region), which is relatively small, the full laser intensity is irradiated. For these reasons, the picture is easy to analyze. For reliable statistics, a high number of images is generated.
Die Fig. 6 zeigt ein Bild mit einem sphärischen Partikel und einem Feststoffpartikel (in der Mitte). Viele weitere Partikel machen den horizontalen Laserstrahl durch Streuung schemenhaft sichtbar. Fig. 6 shows an image with a spherical particle and a solid particle (in the middle). Many other particles make the horizontal laser beam by scattering visible.
Fig. 7-1 bis 7-10 zeigen eine zeitliche Bildfolge. Gezeigt ist, wie eine Blasenstruktur durch einen Laserstrahl geht. Der Laserstrahl ist stationär und die Flüssigkeit, welche die FIGS. 7-1 to 7-10 show a temporal image sequence. It shows how a bubble structure goes through a laser beam. The laser beam is stationary and the liquid, which is the
Blasenstruktur enthält, strömt. Die Aufzeichnung erfolgte mit 22kHz. Die in der Mitte der Abbildungen gezeigte Blase in der Mitte ist größer (höhere Streifenanzahl) und damit intensiver als die kleineren Blasen (geringere Streifenanzahl). Die großen Blasen werden in mehr Frames abgebildet, als die kleinen, dadurch werden kleine Blasen unterbewertet und es erfolgt daher noch eine Messvolumenkorrektur. Bubble structure contains, flows. The recording was done at 22kHz. The bubble in the middle shown in the middle of the pictures is larger (higher number of stripes) and thus more intense than the smaller bubbles (smaller number of stripes). The big bubbles are shown in more frames than the small ones, which undervalue small bubbles and therefore there is still a measuring volume correction.
Fig. 8 zeigt die Verwendung von Laserstrahlen einer anderen Messtechnik. In diesem Fall wird Punktmesstechnik (PDA) wird verwendet um Interferometric Particle Imaging (IPI) Interferenzmuster zu erzeugen. Mit zwei oder mehr Strahlen kann das Messvolumen vergrößert werden, ohne die Separierbarkeit zu beeinflussen. Fig. 8 shows the use of laser beams of another measurement technique. In this case, Point Measurement (PDA) is used to generate Interferometric Particle Imaging (IPI) interference patterns. With two or more beams, the measurement volume can be increased without affecting the separability.
Fig. 9 zeigt eine Probe mit hoher Teilchendichte und die gute Separierbarkeit von Teilchen in einer einer solchen Probel bei linienförmiger Einstrahlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. 9 shows a sample with a high particle density and the good separability of particles in such a sample in the case of linear irradiation according to the method according to the invention.
Fig. 10a-d zeigt IPI mit rotem und grünem Laser an einer ausgewählten Blase. Fig. 10a zeigt das Interferenzstreifenmuster mit rotem Laser und Fig. 10b das dazugehörige Spektrum (2D PSD). Fig. 10c zeigt das Interferenzstreifenmuster mit grünem Laser und Fig. 10d das dazugehörige Spektrum (2D PSD). Fig. 10a-d shows red and green laser IPI on a selected bubble. Fig. 10a shows the interference fringe pattern with red laser and Fig. 10b shows the associated spectrum (2D PSD). Fig. 10c shows the green laser interference fringe pattern and Fig. 10d shows the associated spectrum (2D PSD).
In den Spektren ist, bei Vergleich der Fig. 10c und 10d, eine Verschiebung der In the spectra, a comparison of FIGS. 10c and 10d shows a shift in FIG
frequenzabhängigen Maxima abhängig von der Wellenlänge zu erkennen. Damit lässt sich technisch eine Validierung der Messung realisieren. Fig. 1 1 a-d zeigt die Messung einer Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit von Druck- und Sauerstoffgehaltsänderungen, über die Zeit an einem Strömungskanal in Echtzeit ausgewertet und aufgezeichnet. In den oberen Grafiken der Fig. 1 1 a-d sind Druck (untere Kurve) und Sauerstoffgehalt (obere Kurve Die Verteilung erfasst nur homogene sphärische Partikel. Oben in den Figuren ist auf der Abszisse das Zeitfenster der Aufnahme angegeben, markiert mit einem Doppelstrich. Unten ist die zugehörige Partikelverteilung zu diesem Zeitraum angegeben (schraffiert). Als nicht schraffiertes Balkendiagramm ist unten in den Abbildungen die Summation der Partikelgrößen über die gesamte Messzeit angegeben. Die Fig. 2a-2d zeigen verschiedene Partikeltypen nach der Aufzeichnung: Fig. 2a eine Blase, Fig. 2b einen Kristall, Fig. 2c einen (relativ) großen Feststoffpartikel und Fig. 2d einen relativ kleinen Feststoffpartikel. to detect frequency-dependent maxima depending on the wavelength. This allows the technical realization of a validation of the measurement. FIG. 11 ad shows the measurement of a particle size distribution as a function of changes in pressure and oxygen content, evaluated and recorded over time on a flow channel in real time. In the upper graphs of Fig. 1 ad are pressure (lower curve) and oxygen content (upper curve) The distribution covers only homogeneous spherical particles At the top of the figures, the time window of the picture is indicated on the abscissa, marked with a double line As a non-hatched bar chart, the summation of particle sizes over the entire measuring time is given at the bottom of the figures: Figures 2a-2d show different types of particles after recording: Figure 2a shows a bubble, Fig. 2a 2b shows a crystal, Fig. 2c a (relatively) large solid particle and Fig. 2d a relatively small solid particle.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Partikelbeladene Flüssigkeitsströmung 1 particle-laden liquid flow
2 Kohärente Lichtquelle (Laser)  2 coherent light source (laser)
3 Abbildende Optik  3 Imaging optics
4 Defokussierende Optik 4 Defocusing optics
5 Streuwinkel  5 scattering angles
6 Defokussierte Abbildung eines homogenen/sphärischen Partikels  6 Defocused image of a homogeneous / spherical particle
7 Defokussierte Abbildung eines nichtsphärische/inhomogenen Partikels mit lokalisierten Glanzpunkten  7 Defocused image of a nonspherical / inhomogeneous particle with localized highlights
8 Defokussierte Abbildung eines großen nichtsphärische/inhomogenen Partikels 8 Defocused image of a large nonspherical / inhomogeneous particle
9 Defokussierte Abbildung eines kleinen nichtsphärische/inhomogenen Partikels  9 Defocused image of a small nonspherical / inhomogeneous particle
10 Laser-Doppler-Sendeeinheit  10 laser Doppler transmitter unit
1 1 Laserstrahl  1 1 laser beam
12 Partikel  12 particles
13 Partikel 13 particles
14 gestreuter Strahl  14 scattered beam
15 gestreuter Strahl  15 scattered beam
16 die Strömung schneidende, gedachte Fläche  16, the flow-cutting, imaginary surface
17 Verarbeitungseinrichtung  17 processing device
20 erster Laserstrahl einer Doppler-Messvorrichtung 20 first laser beam of a Doppler measuring device
21 zweiter Laserstrahl einer Doppler-Messvorrichtung Literatur 21 second laser beam of a Doppler measuring device literature
G. König, K. Anders, A. Frohn, (1986) A new light-scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets, Journal of Aerosol Science Volume 17, Issue 2, Pages 157-167 G.King, K. Anders, A. Frohn, (1986) A new light-scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets, Journal of Aerosol Science Volume 17, Issue 2, Pages 157-167
Maeda M., Akasaka Y., and Kawaguchi T. (2002) Improvements of the interferometric technique for simultaneous measurement of droplet size and velocity vector field and its application to a transient spray. Exp. Fluids 33: 125-134. Maeda M., Akasaka Y., and Kawaguchi T. (2002) Improvements of the interferometric technique for simultaneous measurement of droplet size and velocity vector field and its application to a transient spray. Exp. Fluids 33: 125-134.
Damaschke N., Nobach H., Nonn T. I., Semidetnov N., and Tropea C. (2005) Multi- dimensional particle sizing techniques. Exp. Fluids 39: 336-350. Albrecht H.-E., Borys M., Damaschke N., and Tropea C. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques.Springer- Verlag. Damaschke N., Nobach H., Nonn T.I., Semidetnov N., and Tropea C. (2005) Multidimensional particle sizing techniques. Exp. Fluids 39: 336-350. Albrecht H.-E., Borys M., Damaschke N., and Tropea C. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Springer-Verlag.
Raffel M., Willert C, Kompenhans J. (1998) Particle Image Velocimetry. Springer- Verlag Raffel M., Willert C., Kompenhans J. (1998) Particle Image Velocimetry. Springer-Verlag

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mit Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln und weiterhin mit Feststoffpartikeln beladenen, mehrphasigen strömenden Flüssigkeit (1 ), umfassend die folgenden Schritte: 1 . Method for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing liquid (1) loaded with liquid particles and / or gas particles and furthermore with solid particles, comprising the following steps:
- Einstrahlung eines Laserstrahls (1 1 ) in die Flüssigkeit (1 ), wobei ein Teil der  - Injection of a laser beam (1 1) in the liquid (1), wherein a part of the
Flüssigkeit linienförmig beleuchtet wird,  Liquid is illuminated line-shaped,
- Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder homogenen sphärischen Gaspartikeln (12, 13) sowie von inhomogenen und/oder  - Illumination of homogeneous spherical liquid particles and / or homogeneous spherical gas particles (12, 13) and of inhomogeneous and / or
nichtsphärischen Feststoffpartikeln mit dem Laserstrahl (1 1 ), wobei Partikel (12, 13) beleuchtet werden, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind,  Non-spherical solid particles with the laser beam (1 1), wherein particles (12, 13) are illuminated, which are contained along the propagation direction of the laser beam in the liquid,
- Auffangen von Streulicht der beleuchteten Partikel (12, 13) unter einem Streuwinkel (5) oder mehreren Streuwinkeln mit einer oder mehreren optischen Einrichtungen (4), Collecting scattered light of the illuminated particles (12, 13) at a scattering angle (5) or multiple scattering angles with one or more optical devices (4),
- defokussierte Abbildung von Ausschnitten der Streufunktion der Partikel auf einem oder mehreren Detektoren (3), sodass für Partikel (12, 13) Streulichtinformationen erhalten werden, defocused imaging of sections of the scattering function of the particles on one or more detectors (3) so that scattered light information is obtained for particles (12, 13),
- kontinuierliche Verarbeitung der Streulichtinformationen mit einer  continuous processing of the scattered light information with a
Verarbeitungseinrichtung (17) und Unterscheidung von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln von homogenen sphärischen Partikeln,  Processing device (17) and distinction of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles of homogeneous spherical particles,
- Bestimmung der Größen der homogen sphärischen Partikel aus Interferenzmustern, Determination of the sizes of the homogeneous spherical particles from interference patterns,
- Bestimmung von Größenspektren und/oder der Konzentration der homogenen sphärischen Partikel unter Beachtung von größenabhängigen Detektionsvolumina. Determination of size spectra and / or the concentration of the homogeneous spherical particles taking into account size-dependent detection volumes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei im Fall von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoff Partikeln Streulichtinformationen in Form eines schrägen 2. The method of claim 1, wherein in the case of inhomogeneous and / or non-spherical solid particles scattered light information in the form of an oblique
Interferenzstreifensystems oder in Form von Speckies erhalten werden und im Fall von homogenen sphärischen Partikeln ein Interferenzstreifenmuster erhalten wird, welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist, und wobei anhand dieser Streulichtinformationen eine Unterscheidung von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln von homogenen sphärischen Partikeln erfolgt. In the case of homogeneous spherical particles, an interference fringe pattern is obtained, which is oriented perpendicular to the propagation direction of the imaged laser beam, and based on this scattered light information, a distinction is made between inhomogeneous and / or non-spherical solid particles of homogeneous spherical particles.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mehrere Laserstrahlen (1 1 a, 1 1 b, 1 1 c) eingestrahlt werden. 3. The method of claim 1 or 2, wherein a plurality of laser beams (1 1 a, 1 1 b, 1 1 c) are irradiated.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwei oder mehr 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein two or more
überlagerte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge eingestrahlt werden.  superposed laser beams of different wavelengths are irradiated.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem verschieden polarisierte Laserstrahlen eingestrahlt werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, are irradiated in the differently polarized laser beams.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein
- anhand der Intensitätsverteilung des Lichts über den Querschnitt des Laserstrahls und der durchmesserabhängigen Intensität der Streufunktion der homogenen sphärischen Partikel ein Modell eines vom Partikeldurchmesser abhängigen effektiven Detektionsvolumens ermittelt wird, wobei anhand der Bildintensität und der dazu bestimmten Durchmesser der homogenen sphärischen Partikel die Parameter des Modells bestimmt werden,  - Based on the intensity distribution of the light over the cross section of the laser beam and the diameter-dependent intensity of the scattering function of the homogeneous spherical particles, a model of a dependent on the particle diameter effective detection volume is determined, based on the image intensity and the specific diameter of the homogeneous spherical particles determines the parameters of the model become,
- Histogramme der Durchmesserverteilung erzeugt werden und mit Hilfe der  - Histograms of the diameter distribution are generated and with the help of
durchmesserabhängigen Detektionsvolumina derart gewichtet werden, dass sich alle Häufigkeiten auf ein einheitliches Volumen beziehen.  diameter-dependent detection volumes are weighted such that all frequencies refer to a single volume.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Laserlichtstrahl, oder mehrere der Laserstrahlen (20, 21 ), aus einer Vorrichtung (10) eingestrahlt werden, welche auch für ein anderes, laserbasiertes Messverfahren einsetzbar ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the laser light beam, or more of the laser beams (20, 21), from a device (10) are irradiated, which is also used for another, laser-based measuring method.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -7, bei dem der Detektor ein zweidimensionaler Detektor ist. 8. The method according to any one of claims 1-7, wherein the detector is a two-dimensional detector.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -7, bei dem der Detektor ein eindimensionaler Detektor ist, der parallel zur Achse des Laserstrahls positioniert wird. A method according to any one of claims 1 to 7, wherein the detector is a one-dimensional detector positioned parallel to the axis of the laser beam.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Größe nicht homogener oder nicht-sphärischer Feststoff partikel anhand ihrer Streulichtinformationen bestimmt oder abgeschätzt wird. 10. The method of claim 9, wherein the size of non-homogeneous or non-spherical solid particles is determined or estimated based on their scattered light information.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -10, wobei die mehrphasige strömende 1 1. A method according to any one of claims 1 to 10, wherein the multiphase flowing
Flüssigkeit eine Flüssigkeitsströmung in einem Kavitationskanal ist. Liquid is a liquid flow in a cavitation channel.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -10, wobei die mehrphasige strömende 12. The method according to any one of claims 1-10, wherein the multiphase flowing
Flüssigkeit mit Öl verunreinigtes Wasser ist.  Liquid is oil contaminated with water.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -10, wobei die mehrphasige strömende 13. The method according to any one of claims 1-10, wherein the multiphase flowing
Flüssigkeit Bachwasser, Flusswasser, Meerwasser oder Seewasser ist.  Liquid is creek water, river water, seawater or lake water.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -10, wobei die mehrphasige 14. The method according to any one of claims 1-10, wherein the multiphase
Flüssigkeitsströmung eine Flüssigkeitsströmung in einem chemischen Reaktor ist.  Liquid flow is a liquid flow in a chemical reactor.
15. Kavitationskanal, aufweisend eine Vorrichtung, die zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mehrphasigen strömenden Flüssigkeit (1 ) innerhalb des Kavitationskanals eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten aufweist: 15. A cavitation channel comprising an apparatus arranged for continuously determining the sizes and / or the concentration of liquid particles and / or gas particles in a multiphase flowing liquid (1) within the cavitation channel, the apparatus comprising the following components:
- eine Laserlichtquelle (2) zur Einstrahlung eines Laserstrahls (1 1 ) in die Flüssigkeit (1 ) und zur Beleuchtung von Partikeln (12, 13) in der Flüssigkeit,  a laser light source (2) for irradiating a laser beam (1 1) into the liquid (1) and for illuminating particles (12, 13) in the liquid,
- eine optische Einrichtung (4) zum Auffangen von Streulicht (14, 15) der Partikel (12, 13), wobei die optische Einrichtung (4) zum Auffangen von Streulicht (14, 15) von Partikeln eingerichtet ist, welche entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (1 1 ) in der Flüssigkeit (1 ) enthalten sind,  - an optical device (4) for collecting stray light (14, 15) of the particles (12, 13), wherein the optical device (4) for collecting scattered light (14, 15) is arranged by particles which along the propagation direction of the Laser beam (1 1) are contained in the liquid (1),
- einen Detektor (3), der zur defokussierten Abbildung eines Ausschnitts der  a detector (3) for the defocused imaging of a section of the
Streufunktion der Partikel (12, 13) zum Erhalt von Streulichtinformationen eingerichtet ist,  Scattering function of the particles (12, 13) is arranged to obtain scattered light information,
- eine Verarbeitungseinrichtung (17), die zur kontinuierlichen Verarbeitung der  a processing device (17) for continuous processing of the
Streulichtinformationen und zur Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration der Gas- und/oder Flüssigkeitspartikel (12, 13) eingerichtet ist.  Stray light information and for determining the sizes and / or the concentration of the gas and / or liquid particles (12, 13) is set up.
16. Kavitationskanal nach Anspruch 15, wobei die mehrphasige strömende Flüssigkeit 16. The cavitation channel according to claim 15, wherein the multiphase flowing liquid
zusätzlich inhomogene und/oder nichtsphärische Feststoffpartikel aufweist und die Verarbeitungseinrichtung zur Unterscheidung der Feststoffpartikel von den Gas- und/oder Flüssigkeitspartikeln eingerichtet ist.  additionally comprises inhomogeneous and / or non-spherical solid particles and the processing device is arranged to distinguish the solid particles from the gas and / or liquid particles.
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