DE4341573C1

DE4341573C1 - Optische Meßanordnung zur Ermittlung der Partikelgröße

Info

Publication number: DE4341573C1
Application number: DE19934341573
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Peters; Andreas Dr Ing Rudolph; Josef Dr Rer Nat Gebhardt; Klaus-Juergen Dipl Ing Mueller
Original assignee: Topas GmbH
Current assignee: TOPAS GMBH TECHNOLOGIEORIENTIERTE PARTIKEL-, A, DE
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2013-12-08

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Meßanordnung zur kontinuierlichen Ermittlung der Partikelgröße, insbesondere in Aerosolen, durch Messung des Streulichts der in einem horizontal und vertikal begrenzten Bereich des Aerosolstroms dispergierten Partikel im Vorwärtsbereich und daraus abgeleiteter Größen, wie Partikelgrößenverteilung und Konzentration.

Es ist bekannt, die in einem Aerosolstrom dispergierten Partikel zu durchleuchten und zum Beispiel die Konzentration, d. h., die mehr oder weniger starke Trübung, fotooptisch zu messen und auszuwerten.

Zur Messung der Größe einzelner Partikel bzw. zur kontinuierlichen Ermittlung der Partikelgröße sind ebenfalls bereits Streulichtmeßeinrichtungen im Einsatz. Beispielsweise wird der Partikelstrom durch eine Küvette geleitet. Das Meßfenster wird durch seitliche Blenden, z. B. einen auf die Küvette geklebten Rahmen, begrenzt. Das Meßfenster wird von einer Lichtquelle aus durchleuchtet und das Streulicht seitlich von der optischen Achse oder im Vorwärtsbereich, d. h., mit einem in der optischen Achse angeordneten Fotodetektor, gemessen.

Eine derartige Anordnung ist z. B. in DE 42 15 908 A1 gezeigt. In der optischen Achse einer Lichtquelle ist ein Detektor angeordnet. Zwischen beiden wird das auszumessende Aerosol mit einer Düsenanordnung senkrecht zur optischen Achse geführt. Das Streulicht der Partikel wird mittels einer dem Meßvolumen nachgeschalteten Optik auf dem Detektor abgebildet. Die Primärstrahlung wird hinter dem Meßvolumen durch eine Lichtfalle absorbiert.

Die Meßanordnung nach der US-PS 4 850 707 hat einen ähnlichen Aufbau. Als Lichtquelle wird ein Laser verwendet. Sein Strahl ist so fokussiert, daß er einen elliptischen Querschnitt aufweist, wobei die kleine Achse der Ellipse in der Richtung des Partikelstroms liegt. Die Anordnung ist zur Messung von Partikeln, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, vorgesehen. Die Suspension wird in einen Flüssigkeitsstrom gepumpt. Er umhüllt die Suspension. Hüllstrom und Suspension durchströmen die Meßküvette laminar.

Die gegenwärtigen Lösungen eignen sich gut für geringe Partikelkonzentrationen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Meßanordnung zur Ermittlung der Partikelgröße von Aerosolen zu schaffen, bei der die Partikel auch bei größeren Partikelkonzentrationen im Meßfeld ohne Verfälschung der Probe stark vereinzelt sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Meßanordnung mit den Merkmalen aus dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorzugsweise wird der Aerosolstrom ejektorartig von einem den Aerosolstrom umgebenden Gasstrom, der durch eine oval flache Düse austritt, zu einem Film verdünnt. Im Zusammenhang mit der horizontalen Fokussierung des Lichtstrahls und der vertikalen Schlitzblende vor dem Detektor wird der Aerosolstrom im Meßfeld ohne Partikelverlust an den Wänden einer Meßküvette und damit ohne Probenverfälschung, sehr stark vereinzelt. Dadurch sind sehr hohe Partikelkonzentrationen bis zu 10⁵ Partikel/cm zulässig.

Mit der vorzugsweisen Verwendung einer Laserlichtquelle steht eine energieintensive Lichtquelle zur Verfügung. Ihr direkter Strahl kann mit einer Primärstrahl-Falle vor der Detektoroptik ausgeblendet werden. Der Nachteil einer Laserlichtquelle, exponentiell stark abfallende Lichtintensität außerhalb der optischen Achse, wird durch das sehr kleine Meßfeld und die spezielle Fokussierung minimiert.

Mit einer der Lichtquellenoptik nachgeschalteten Blende und einer in der Abbildungsebene dieser Blende vor dem Detektor angeordneten Sekundärstrahl-Falle kann das Sekundärlicht der Lichtquelle ebenfalls ausgeblendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1a eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lösung,

Fig. 1b die Vorderansicht auf Fig. 1a,

Fig. 2 eine Einrichtung zur Bildung des Aerosolfilms im Schnitt,

Fig. 3 die Verteilung der Lichtintensität im Aerosol querschnitt quer zur optischen Achse (Einzelheit X),

Fig. 4 die Verteilung der Lichtintensität im Aerosol querschnitt entlang der optischen Achse (Einzelheit Y).

In der optischen Achse sind hintereinander angeordnet: Lichtquelle 1, zylindrische Konvexlinse 2, sphärische Konvexlinse 3, Ringblende 4, Aerosolfilm 5, Kondensorlinsen 7 und 8 mit davor aufgesetzter Primärstrahl-Falle 6, Sekundärstrahl-Falle 9, vertikale Schlitzblende 10 und Fotodetektor 11.

Der Lichtstrahl 16 wird mit den beiden Konvexlinsen 2 und 3 astigmatisch fokussiert. Der vertikale Fokussierungspunkt F_v liegt in der Aerosolfilmebene 5, der horizontale F_h liegt dahinter, d. h., von dem Aerosolstrom 5 wird ein quasi linienförmiger, horizontaler Teil scharf ausgeleuchtet. Blende 4 begrenzt die Breite der horizontalen "Linie". Das Streulicht im Vorwärtsbereich wird mit den Kondensorlinsen 7 und 8 auf dem Fotodetektor 11 abgebildet, wobei die vertikale Schlitzblende 10 das Aerosol-Meßfenster indirekt in der Breite weiter begrenzt.

Als Lichtquelle 1 wird ein Laserstrahl eingesetzt. Seine Intensität 17 fällt von der Mitte zum Rand hin stark ab. Durch die starken seitlichen Begrenzungen wird aber nur der mittlere Bereich des Laserstrahls genutzt, so daß gemäß Fig. 3 über der Meßfensterbreite (und erst recht in der Höhe) eine nahezu gleiche Lichtintensität herrscht. Daselbe wird durch die vertikale Fokussierung des Lichtstrahls längs zur optischen Achse durch den Aerosolstrom erreicht (Fig. 4).

Der Primärstrahl der Lichtquelle 1 wird mit der Primärstrahl- Falle 6 gesperrt. Streulicht von der Blende 4, die in die Abbildungsebene B′ abgebildet wird, wird von der Sekundärstrahl- Falle 9 ausgeblendet. Durch diese Kombination kann die Grundbeleuchtung des Fotodetektors um ein Vielfaches gesenkt werden. Entsprechend erhöht sich die Empfindlichkeit der Meßanordnung bzw. verringert sich die noch detektierbare Partikelgröße.

Der Aerosolfilm wird von der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung erzeugt. Mit dem Rohr 13 wird ein Aerosolstrom 12, der z. B. von einem Aerosolgenerator erzeugt wurde, zugeführt. Das Rohr 13 ist von einem äußeren Rohr 15 umgeben. Beide Rohre haben eine düsenförmig verengte Austrittsöffnung, wobei mindestens die vom äußeren Rohr 15 stirnseitig einen ovalen bzw. schlitzförmigen Querschnitt aufweist. Zwischen dem inneren und äußeren Mantel 13 und 15 strömt Luft 14 zu. Die Luft reißt die Aerosolpartikel mit. Die Einrichtung verdünnt den Aerosolstrom zu einem schmalen Film, ohne daß dieser bzw. seine Partikel mit den Seitenwänden einer Meßküvette in Berührung kommen. Dadurch bleiben auch empfindliche Aerosolpartikel in der Probe erhalten.

Claims

1. Optische Meßanordnung zur Ermittlung der Partikelgröße in einem Aerosolstrom mit einer einen Lichtstrahl entlang einer optischen Achse aussendenden Lichtquelle (1), einem in der optischen Achse angeordneten Detektor (11), zwischen Lichtquelle und Detektor angeordneten Einrichtungen, mit denen der Aerosolstrom (5) senkrecht zur optischen Achse führbar und das Streulicht der Partikel aus einem - bei betriebsgemäßer Ausrichtung der Meßanordnung bezüglich des Schwerefeldes - horizontal und vertikal begrenzten Bereich des Aerosolstroms einer Messung zuführbar ist, sowie mit einem optischen Kondensor (7, 8) und einer vor diesem angeordneten Primär-Strahlfalle (6), gekennzeichnet durch ein der Lichtquelle nachgeschaltetes Fokussiersystem, mit dem der Lichtstrahl der Lichtquelle (1) horizontal in einem Punkt F_h hinter dem Aerosolstrom fokussierbar ist und dadurch, daß der Aerosolstrom (5) als Film zwischen zwei parallelen Mantelgasströmen, deren Ebenen senkrecht zur optischen Achse liegen, führbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Lichtquelle eine Ringblende (1), eine zylindrische (2) und eine sphärische (3) Linse nachgeschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein innerer Mantel (13), in dem der Aerosolstrom (12) geführt ist, von einem äußeren Mantel (15) umgeben ist, der äußere Mantel (15), über das Ende des inneren Mantels hinaus verlängert, in einer oval flachen Düse endet und zwischen den Mänteln (13 und 15) ein Gas (14) strömt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Fokussierungssystem eine Blende (4) nachgeschaltet ist, die durch den optischen Kondensor (7, 8) in eine Abbildungsebene B′ abbildbar ist, in der vor dem Detektor (11) eine Sekundärstrahl-Falle (9) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Detektor (11) eine vertikale Schlitzblende (10) zugeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Lichtquelle ein Laserstrahl vorgesehen ist.