DE4341573C1 - Optical measuring arrangement for determining particle size - Google Patents

Optical measuring arrangement for determining particle size

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DE4341573C1 DE19934341573 DE4341573A DE4341573C1 DE 4341573 C1 DE4341573 C1 DE 4341573C1 DE 19934341573 DE19934341573 DE 19934341573 DE 4341573 A DE4341573 A DE 4341573A DE 4341573 C1 DE4341573 C1 DE 4341573C1
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Andreas Dr Ing Rudolph
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TOPAS GMBH TECHNOLOGIEORIENTIERTE PARTIKEL-, A, DE
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means, e.g. by light scattering, diffraction, holography or imaging

Abstract

The invention relates to an optical measuring arrangement for continuous determination of particle size, in particular in aerosols, by measuring light scattered in the forward region by the particles dispersed in a horizontally and vertically bounded region of the aerosol flow, and parameters such as particle-size distribution and concentration derived therefrom. The aerosol flow is preferably diluted in ejector fashion by a gas flow, emerging through a flat oval nozzle and surrounding the aerosol flow, to give a film. In conjunction with horizontal focussing of the light beam and a vertical slit diaphragm in front of the detector, the aerosol flow is very highly isolated in the measuring field without particle loss at the walls of a measuring cuvette, and therefore without sample distortion. Very high particle concentrations of up to 10<5> particles/cm are consequently permissible. <IMAGE>

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.The invention relates to an optical measuring arrangement for continuous determination of particle size, especially in Aerosols, by measuring the scattered light in a horizontal and dispersed vertically limited area of the aerosol stream Particles in the forward range and sizes derived from them, such as Particle size distribution and concentration.

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.It is known the particles dispersed in an aerosol stream to be screened and for example concentration, d. i.e., the more or less severe turbidity, to measure photo-optically and evaluate.

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.To measure the size of individual particles or continuous determination of particle size are also Scattered light measuring devices are already in use. For example the particle stream is passed through a cuvette. The Measuring window is through side panels, z. B. one on the Cuvette glued frame, limited. The measurement window is from from a light source and the scattered light from the side from the optical axis or in the forward range, d. i.e., with a photodetector arranged in the optical axis, measured.

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.Such an arrangement is e.g. B. shown in DE 42 15 908 A1. There is a detector in the optical axis of a light source arranged. The aerosol to be measured is included between the two guided a nozzle arrangement perpendicular to the optical axis. The Scattered light from the particles is measured using a measuring volume downstream optics mapped on the detector. The Primary radiation is behind the measurement volume through a light trap absorbed.

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.The measuring arrangement according to US Pat. No. 4,850,707 has a similar one Construction. A laser is used as the light source. His beam is so focused that it has an elliptical cross section  has, the small axis of the ellipse in the direction of Particle flow. The arrangement is for measuring Particles suspended in a liquid intended. The suspension is in a liquid stream pumped. It envelops the suspension. Envelope flow and suspension flow through the measuring cuvette laminar.

Die gegenwärtigen Lösungen eignen sich gut für geringe Partikelkonzentrationen.The current solutions are well suited for minor ones Particle concentrations.

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.The object of the invention is to provide an optical measuring arrangement Determination of the particle size of aerosols to create the particles even with larger particle concentrations in the Measuring field are severely isolated without falsifying the sample.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Meßanordnung mit den Merkmalen aus dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention, the object is achieved by a measuring arrangement with the Features solved from claim 1. Advantageous training and Further training results from the subclaims.

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.The aerosol flow is preferably ejector-like from one of the Aerosol stream surrounding gas flow through an oval flat Nozzle emerges, diluted into a film. In connection with the horizontal focusing of the light beam and vertical The aperture in front of the detector becomes the aerosol flow in the measuring field without loss of particles on the walls of a measuring cell and thus without sample falsification, very isolated. Thereby very high particle concentrations up to 10⁵ particles / cm allowed.

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. With the preferred use of a laser light source an energy-intensive light source is available. Your direct Beam can be trapped with a primary beam in front of the detector optics be hidden. The disadvantage of a laser light source, exponentially decreasing light intensity outside the optical axis, is due to the very small measuring field and special focus minimized.  

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.With an aperture and one in the imaging plane of this aperture in front of the detector arranged secondary beam trap can be the secondary light of the Light source can also be hidden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigenThe invention is described below using an exemplary embodiment shown in more detail. Show in the drawings

Fig. 1a eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lösung, FIG. 1a is a plan view of an inventive solution,

Fig. 1b die Vorderansicht auf Fig. 1a, FIG. 1b the front view to Fig. 1a,

Fig. 2 eine Einrichtung zur Bildung des Aerosolfilms im Schnitt, Fig. 2 shows a device for forming the aerosol film in section,

Fig. 3 die Verteilung der Lichtintensität im Aerosol­ querschnitt quer zur optischen Achse (Einzelheit X), Fig. 3 shows the distribution of light intensity in the aerosol cross-section transverse to the optical axis (detail X)

Fig. 4 die Verteilung der Lichtintensität im Aerosol­ querschnitt entlang der optischen Achse (Einzelheit Y). Fig. 4 shows the distribution of the light intensity in the aerosol cross section along the optical axis (detail 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.The following are arranged in the optical axis: light source 1 , cylindrical convex lens 2 , spherical convex lens 3 , ring diaphragm 4 , aerosol film 5 , condenser lenses 7 and 8 with primary beam trap 6 placed in front of them, secondary beam trap 9 , vertical slit diaphragm 10 and photo detector 11 .

Der Lichtstrahl 16 wird mit den beiden Konvexlinsen 2 und 3 astigmatisch fokussiert. Der vertikale Fokussierungspunkt Fv liegt in der Aerosolfilmebene 5, der horizontale Fh 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.The light beam 16 is astigmatically focused with the two convex lenses 2 and 3 . The vertical focussing point F v lies in the aerosol film plane 5 , the horizontal F h lies behind it, ie, a quasi linear, horizontal part is sharply illuminated by the aerosol stream 5 . Aperture 4 limits the width of the horizontal "line". The scattered light in the forward area is imaged with the condenser lenses 7 and 8 on the photodetector 11 , the vertical slit diaphragm 10 indirectly further limiting the width of the aerosol measuring window.

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).A laser beam is used as the light source 1 . Its intensity 17 drops sharply from the center to the edge. Due to the strong lateral boundaries, however, only the central area of the laser beam is used, so that, according to FIG. 3, there is almost the same light intensity over the measurement window width (and especially in height). The same is achieved by the vertical focusing of the light beam along the optical axis through the aerosol flow ( 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.The primary beam of the light source 1 is blocked with the primary beam trap 6 . Scattered light from the aperture 4 , which is imaged in the imaging plane B ', is masked out by the secondary beam trap 9 . With this combination, the basic lighting of the photo detector can be reduced many times over. The sensitivity of the measuring arrangement increases accordingly or the particle size which can still be detected decreases.

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.The aerosol film is produced by the device shown in FIG. 2. With the tube 13 , an aerosol stream 12 , the z. B. was generated by an aerosol generator. The tube 13 is surrounded by an outer tube 15 . Both tubes have a nozzle-like constricted outlet opening, at least that of the outer tube 15 having an oval or slit-shaped cross-section on the end face. Air 14 flows in between the inner and outer shells 13 and 15 . The air entrains the aerosol particles. The device dilutes the aerosol stream into a narrow film without this or its particles coming into contact with the side walls of a measuring cell. This also keeps sensitive aerosol particles in the sample.

Claims (6)

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 Fh 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.1. Optical measuring arrangement for determining the particle size in an aerosol flow with a light source ( 1 ) emitting a light beam along an optical axis, a detector ( 11 ) arranged in the optical axis, devices arranged between the light source and detector, with which the aerosol flow ( 5 ) Can be guided perpendicular to the optical axis and the scattered light of the particles can be fed to a measurement from a horizontally and vertically limited area of the aerosol stream, provided the measuring arrangement is oriented in relation to the gravitational field, and with an optical condenser ( 7 , 8 ) and a primary arranged in front of it Beam trap ( 6 ), characterized by a focusing system downstream of the light source, with which the light beam from the light source ( 1 ) can be focused horizontally at a point F h behind the aerosol stream and in that the aerosol stream ( 5 ) as a film between two parallel jacket gas streams, whose planes are perpendicular lie to the optical axis, is feasible. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Lichtquelle eine Ringblende (1), eine zylindrische (2) und eine sphärische (3) Linse nachgeschaltet sind.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the light source is followed by an annular diaphragm ( 1 ), a cylindrical ( 2 ) and a spherical ( 3 ) lens. 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.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that an inner jacket ( 13 ), in which the aerosol stream ( 12 ) is guided, is surrounded by an outer jacket ( 15 ), the outer jacket ( 15 ), over the end of the inner The jacket extends further, ends in an oval flat nozzle and a gas ( 14 ) flows between the jackets ( 13 and 15 ). 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. 4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the focusing system is followed by an aperture ( 4 ) which can be mapped by the optical condenser ( 7 , 8 ) into an imaging plane B 'in which a secondary beam in front of the detector ( 11 ) Trap ( 9 ) is arranged. 5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Detektor (11) eine vertikale Schlitzblende (10) zugeordnet ist.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that the detector ( 11 ) is assigned a vertical slit diaphragm ( 10 ). 6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Lichtquelle ein Laserstrahl vorgesehen ist.6. Arrangement according to claim 1, characterized in that as Light source a laser beam is provided.
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