DE19628348C1 - Measuring probe for in-line measurement of suspended particle size - Google Patents
Measuring probe for in-line measurement of suspended particle sizeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zur in-line-Bestimmung der Größe von beweg ten Partikeln in transparenten Medien, mit einer optischen Ortsfrequenzfilteranord nung, bestehend aus in einer optischen Wirkungsfläche mündenden gitterartig ange ordneten lichtwellenleitenden optischen Elementen, die mit einer optoelektronischen Wandleranordnung in Verbindung stehen, und einer Beleuchtungseinrichtung, wobei der Ortsfrequenzfilteranordnung ein zusätzliches lichtwellenleitendes Element mit optoelektronischem Wandler zugeordnet ist.The invention relates to a measuring probe for in-line determination of the size of moving particles in transparent media, with an optical spatial frequency filter arrangement voltage, consisting of lattice-like opening in an optical effective area arranged optical waveguiding optical elements with an optoelectronic Connect transducer arrangement, and a lighting device, wherein the spatial frequency filter arrangement with an additional light waveguiding element optoelectronic converter is assigned.
Anwendbar ist die Erfindung insbesondere zur Ermittlung der Größe von Partikeln, d. h. von festen, flüssigen oder gasförmigen Teilchen, die sich in strömenden Flüssigkei ten oder Gasen befinden oder die sich in einem transparenten Medium bzw. im Va kuum selbst bewegen. Dabei ist die kontinuierliche Bestimmung der Partikelgröße ohne Probennahme im Rahmen der Prozeßführung mit einer hohen Datenrate mög lich. Beispiele seien die Verfolgung der bei der Kristallisation ablaufenden Vorgänge oder die Untersuchung von partikelgrößenbezogenen Prozessen in Apparaten.The invention is particularly applicable for determining the size of particles, i. H. of solid, liquid or gaseous particles that are in flowing liquids ten or gases or which are in a transparent medium or in Va move the vacuum yourself. Thereby is the continuous determination of the particle size possible without taking samples as part of the process control with a high data rate Lich. Examples are the tracking of the processes taking place during crystallization or the investigation of particle size-related processes in apparatus.
Die optische Partikelgrößenbestimmung in der Prozeßmeßtechnik ist bereits ein stark bearbeitetes Fachgebiet.Optical particle size determination in process measurement technology is already a strong one edited subject.
Moderne Lösungen stellen das Laserbeugungssystem, das Schatten-Doppler- Velozimeter und das Scanning Laser Mikroskop dar. Diese Lösungen benötigen je doch i. d. R. einen optischen Zugang zu den Partikeln, erfordern eine relativ aufwen dige Technik und stellen z. T. Anforderungen an die Partikelkonzentration.Modern solutions provide the laser diffraction system, the shadow Doppler Velocimeter and the scanning laser microscope. These solutions each require but i. d. R. optical access to the particles, require a relatively high technology and provide z. T. Requirements for particle concentration.
Eine weitere moderne Lösung ist die Anwendung der Ortsfrequenzfiltertechnik.Another modern solution is the use of spatial frequency filter technology.
Dazu ist eine Anordnung zur optischen Erfassung und Auswertung von Streulichtsi gnalen gemäß DE-OS 41 18 716 bekannt. Ein entsprechendes Strichgitter- Anemometer besteht aus einer Lichtquelle, z. B. einem Laser, mit der ein Meßvolu men beleuchtet wird. Das von Partikeln im Meßvolumen emittierte Streulicht wird über Linsen und eine Blende auf einer Gitteranordnung abgebildet, der ein Fotoempfänger nachgeordnet ist. Dessen Ausgangssignal dient durch Auswertung der Schwebungs frequenz in Abhängigkeit von der Gitterkonstante und des Abbildungsmaßstabes der Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit.There is an arrangement for the optical detection and evaluation of scattered light gnalen known according to DE-OS 41 18 716. A corresponding grating Anemometer consists of a light source, e.g. B. a laser with which a volu men is illuminated. The scattered light emitted by particles in the measuring volume is over Lenses and an aperture are depicted on a grid arrangement of a photo receiver is subordinate. Its output signal is used by evaluating the beat frequency depending on the lattice constant and the magnification of the Determination of particle speed.
Für die Partikelgrößenbestimmung wird aus dem Hauptstrahlengang des optischen Strichgitter-Anemometers ein Teilstrahl abgezweigt, welcher auf einen zweiten Fo toempfänger gerichtet ist, dem eine geteilte Ringblende mit lichtundurchlässigem Zentrum vorgeordnet ist. Diese dient der Ausblendung des Streulichtes von nicht vollständig im Meßvolumen enthaltenen Partikeln sowie der Erzeugung von entspre chenden Referenzsignalen.For the particle size determination, the main beam path of the optical Line grating anemometer branched a partial beam, which on a second Fo To recipient is directed, which is a divided ring diaphragm with opaque Center is upstream. This is not used to suppress the scattered light from Particles completely contained in the measuring volume and the generation of corre sponding corresponding reference signals.
Sofern dadurch unter Verwendung einer Verknüpfungslogik gesichert ist, daß das Streulicht der gesamten Partikel beim Meßvorgang erfaßt ist, wird aus dem Verhältnis der Amplitude der Einhüllenden zur Amplitude der Schwebung die Partikelgröße be rechnet.If it is ensured by using logic logic that the Scattered light of the entire particle during the measuring process is determined from the ratio the amplitude of the envelope and the amplitude of the beat the particle size calculates.
Bei dieser bekannten Anordnung ist der gerätetechnische und Auswertungsaufwand erheblich. Nachteilig ist weiterhin die Partikelgrößenbestimmung aus dem Amplitu denverhältnis von Einhüllender zur Schwebung, da die Schwebung bei Partikeln, die größer als die transparente Streifenbreite der Gitteranordnung sind, nicht eindeutig von der Partikelgröße abhängt (Y. Aizu und T. Asakura: "Principles and Development of Spatial Filtering Velocimetry", Appl. Phys. B 43, 209-224, 1987).In this known arrangement, the equipment and evaluation effort considerably. Another disadvantage is the determination of the particle size from the amplitude the ratio of envelope to beat, since the beat for particles that are larger than the transparent stripe width of the grid arrangement, not clear depends on the particle size (Y. Aizu and T. Asakura: "Principles and Development of Spatial Filtering Velocimetry ", Appl. Phys. B 43, 209-224, 1987).
Die als Rückstreuanordnung konzipierte Meßanordnung verringert des weiteren die Möglichkeit, sehr kleine Partikeln zu erfassen, es sei denn, es wird eine besonders leistungsstarke Lichtquelle eingesetzt. Darüber hinaus beleuchten die angegebenen Lichtquellen das Meßvolumen sehr inhomogen, was zu modulierten Signalen führt, deren Amplitudenauswertung fehlerbehaftet ist. Nur sehr aufwendige Korrekturopti ken könnten diese Fehlermöglichkeit vermeiden.The measuring arrangement designed as a backscatter arrangement further reduces the Ability to capture very small particles unless it becomes special powerful light source used. In addition, illuminate the specified Light sources make the measurement volume very inhomogeneous, which leads to modulated signals, whose amplitude evaluation is faulty. Only very complex correction optics could avoid this possibility of error.
Die bekannte Anordnung zur optischen Erfassung und Auswertung von Streulichtsi gnalen liefert demgemäß keine Anregungen im Sinne der vorliegenden Erfindung. The known arrangement for the optical detection and evaluation of scattered light Accordingly, gnalen does not provide any suggestions in the sense of the present invention.
Bereits aus DD-PS 1 42 606 ist es bekannt, eine optische Ortsfrequenzfilteranordnung zur Messung der Geschwindigkeiten von sich in Fluiden bewegenden Partikeln einzu setzen. Das Ortsfrequenzfilter besteht dabei aus in einer optischen Wirkungsfläche mündenden gitterartig angeordneten lichtwellenleitenden Elementen, speziell flexiblen Lichtleitfasern oder gemäß DD-PS 3 01 669 sog. integriert-optischen Wellenleitern, die auf eine optoelektronische Wandleranordnung und nach Verstärkung auf einen Frequenzanalysator geführt sind.DD-PS 1 42 606 already discloses an optical spatial frequency filter arrangement to measure the speeds of particles moving in fluids put. The spatial frequency filter consists of an optical effective area opening, arranged in a lattice-like manner, particularly flexible Optical fibers or so-called integrated optical waveguides in accordance with DD-PS 3 01 669, which on an optoelectronic transducer arrangement and after amplification on one Frequency analyzer are performed.
Die beleuchteten sich bewegenden Partikeln werden durch eine Schattenprojektion auf das Ortsfrequenzfilter abgebildet bzw. durch eine Lichtreflexion an der Parti keloberfläche dem Ortsfrequenzfilter angezeigt.The illuminated moving particles are shown by a shadow projection mapped onto the spatial frequency filter or by light reflection at the parti surface of the spatial frequency filter.
Die (hard- oder softwareseitige) Frequenzanalyse des Ausgangssignals des Ortsfre quenzfilters liefert die Frequenz maximaler Leistung f₀, woraus sich die PartikelgeschwindigkeitThe (hardware or software) frequency analysis of the output signal of the loc quenzfilter delivers the frequency of maximum power f₀, from which the particle speed
νp = g · f₀ (1)ν p = gf₀ (1)
mit g als Gitterkonstante des Ortsfrequenzfilters ergibt.with g as the lattice constant of the spatial frequency filter.
Aus DD-PS 1 42 606 ist es weiterhin bekannt, dem Ortsfrequenzfilter eine zusätzliche Lichtleitfaser hinzuzufügen, die auf einen gesonderten optoelektronischen Wandler und Verstärker geführt ist, dessen Ausgangssignal mittels Impulszählung bezüglich der Impulsbreite ausgewertet wird. Dieser so gebildete zweite Meßkanal wird für die Bestimmung der Partikelgröße oder - bei Kugelgestalt - des Partikeldurchmessers genutzt. Passiert die Partikel auf ihrer Trajektorie das beleuchtete Meßvolumen vor dem Ortsfrequenzfilter, so bewegt sich das Partikelbild sowohl über dem Ortsfre quenzfilter als auch über die Stirnfläche der zusätzlichen Lichtleitfaser und es wird neben dem Geschwindigkeitsburst ein Impuls erzeugt, dessen zeitliche Breite tb pro portional der Partikelgröße x und umgekehrt proportional der Partikelgeschwindigkeit νb ist:From DD-PS 1 42 606 it is also known to add an additional optical fiber to the spatial frequency filter, which is guided to a separate optoelectronic converter and amplifier, the output signal of which is evaluated by means of pulse counting with respect to the pulse width. This second measuring channel thus formed is used for determining the particle size or - in the case of a spherical shape - the particle diameter. If the particles pass the illuminated measurement volume in front of the spatial frequency filter on their trajectory, the particle image moves both over the spatial frequency filter and over the end face of the additional optical fiber and, in addition to the speed burst, an impulse is generated, the temporal width t b of which is proportional to the particle size x and inversely proportional to the particle velocity ν b :
mit M als Abbildungsmaßstab, df als Durchmesser der zusätzlichen Lichtleitfaser und νb als Komponente der Partikelbildgeschwindigkeit in Richtung der Gitterachse.with M as the imaging scale, d f as the diameter of the additional optical fiber and ν b as a component of the particle image speed in the direction of the grating axis.
Da die Lage des Partikelbildes zur Lage der zusätzlichen Lichtleitfaser zufällig ist, stellt x einen sogenannten statistischen Durchmesser dar. Die Zufälligkeit hat zur Folge, daß selbst bei Vorliegen einer monodispersen Partikelgröße der gemessene statistische Durchmesser eine Häufigkeitsverteilung besitzt, deren Maximalgröße der monodispersen Ausgangsgröße entspricht. Dabei wird vorausgesetzt, daß keine Ko inzidenzen im Meßvolumen auftreten. Sich ergebende negative Partikelgrößen für Randüberdeckungen werden verworfen.Since the position of the particle image is random to the position of the additional optical fiber, x represents a so-called statistical diameter As a result, even if there is a monodisperse particle size, the measured statistical diameter has a frequency distribution, the maximum size of which corresponds to the monodisperse output variable. It is assumed that no knockout incidences occur in the measuring volume. Resulting negative particle sizes for Edge overlaps are discarded.
Hinsichtlich des Durchmessers der zusätzlich an das Ortsfrequenzfilter angefügten Lichtleitfaser enthält DD-PS 1 42 606 nur den Hinweis, daß dieser auf den zu untersu chenden Teilchengrößenbereich abzustimmen sei. Eine konkrete technische Lehre wird nicht erteilt. Demgemäß erhielt bisher zweckmäßigerweise die zusätzliche Licht leitfaser den gleichen Durchmesser wie die Lichtleitfasern des Ortsfrequenzfilters.With regard to the diameter of those additionally attached to the spatial frequency filter Optical fiber contains DD-PS 1 42 606 only the hint that this on the to be examined appropriate particle size range. A concrete technical teaching will not be granted. Accordingly, the additional light has been given expediently so far the same diameter as the optical fibers of the spatial frequency filter.
Die Lichtleitfasern des Ortsfrequenzfilters werden vorzugsweise mit Hilfe einer Wickel vorrichtung dicht an dicht gelegt, so daß bei einem Einfachgitter die Gitterkonstan te g dem Durchmesser der Lichtleitfaser, bei einem Differenzgitter dem zweifachen Durchmesser entspricht. Aus Fertigungsgründen wird weiterhin ein möglichst großer Durchmesser der Lichtleitfasern gewählt.The optical fibers of the spatial frequency filter are preferably with the help of a winding device placed close together so that the lattice constant in a single lattice te g the diameter of the optical fiber, twice for a differential grating Corresponds to diameter. For manufacturing reasons, the largest possible Diameter of the optical fibers selected.
Da die für eine Geschwindigkeitsmessung maximale Partikelgröße xmax durch eine ausreichende Frequenzmodulation des Ausgangssignals zu xmax ≈ 0,5 g festgelegt ist, bestimmt letztendlich der Durchmesser der Lichtleitfasern des Ortsfrequenzfilters die maximale Partikelgröße hinsichtlich der Geschwindigkeitsmessung. Dagegen hat sich gezeigt, daß bei einem entsprechend großen Durchmesser der zusätzlich einge fügten Lichtleitfaser erhebliche Fehler bei der Impulsbreitenbestimmung und damit bei der Partikelgrößenermittlung auftreten. Dieses hat einerseits seine Ursache in der Impulsbreitenbestimmung durch Signaltriggerung auf den Impulsflanken. Der Einfluß der Triggerung auf die Impulsflanken, die infolge Rauschens fehlerbehaftet sein kann, ist bei Flanken geringer Steilheit und damit einem hohen Anteil an der Impulsbreite, wie dies für einen relativ großen Faserdurchmesser der zusätzlichen Lichtleitfaser (bei vergleichbarer Partikelgröße) ursächlich ist, recht hoch und damit meßsignalver fälschend. Andererseits täuschen auch Koinzidenzen im (relativ großen) Meßvolumen bzw. auf dem (relativ großen) lichtführenden Querschnitt der zusätzlichen Lichtleitfa ser große Partikeln vor.Since the maximum particle size x max for a speed measurement is determined by adequate frequency modulation of the output signal to x max ≈ 0.5 g, the diameter of the optical fibers of the spatial frequency filter ultimately determines the maximum particle size with regard to the speed measurement. In contrast, it has been shown that with a correspondingly large diameter of the additionally inserted optical fiber, considerable errors occur in the pulse width determination and thus in the particle size determination. On the one hand, this is due to the pulse width determination by signal triggering on the pulse edges. The influence of triggering on the pulse edges, which can be faulty as a result of noise, is quite high for edges with low steepness and thus a large proportion of the pulse width, as is the reason for a relatively large fiber diameter of the additional optical fiber (with a comparable particle size) thus falsifying measurement signal. On the other hand, coincidences in the (relatively large) measurement volume or on the (relatively large) light-guiding cross-section of the additional Lichtleitfa ser large particles.
Weitere Fehlmessungen der Partikelgröße sind bei der bekannten Anordnung durch die undefinierte Abbildung der bewegten Partikeln auf dem Ortsfrequenzfilter mit der zusätzlichen Lichtleitfaser verursacht, d. h. es wird einerseits lediglich die (in Richtung der Gitterachse verlaufende Komponente der) Partikelbildgeschwindigkeit erfaßt und der Partikelgrößenbestimmung zugrunde gelegt und andererseits ein verfälschter Impulszug erzeugt.Further incorrect measurements of the particle size are due to the known arrangement the undefined mapping of the moving particles on the spatial frequency filter with the causes additional optical fiber, d. H. on the one hand, only the (towards the component of the particle image speed running along the grid axis and based on the particle size determination and on the other hand a falsified Pulse train generated.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde der eingangs genannten Art zu schaffen, die zwecks Erhöhung der Genauigkeit der Partikelgrö ßenbestimmung die Genauigkeit der Auswertung der durch das zusätzliche lichtwel lenleitende Element (in Verbindung mit der Beleuchtungseinrichtung und dem opto elektronischen Wandler) erzeugten Impulsbreite bei Sicherung einer definierten Ab bildung der bewegten Partikeln ermöglicht.The invention is accordingly based on the object of a measuring probe at the outset to create the type mentioned in order to increase the accuracy of the particle size Determining the accuracy of the evaluation of the additional light world lenleitende element (in connection with the lighting device and the opto electronic converter) generated pulse width while securing a defined Ab formation of the moving particles.
Diese Aufgabe wird durch eine Meßsonde mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This task is performed by a measuring probe with the characteristics in Claim 1 solved. Advantageous education and training result itself from the subclaims.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Meßsonde gestattet die kontinuierliche Bestim mung der Größe von bewegten Partikeln in ruhenden oder strömenden transparen ten Fluiden bzw. im Vakuum mit hoher Genauigkeit. Die wesentliche Verkleinerung des lichtführenden Querschnittes des zusätzlichen Elements (wobei dieser zweck mäßigerweise kleiner als der kleinste zu messende Partikelquerschnitt ausgeführt wird) ergibt einerseits eine erheblich genauere Auswertbarkeit der Impulsbreite, da große Impulsbreiten bei steilen Impulsflanken erzeugt werden, und andererseits führt die Verringerung des aktiven Meßvolumens zur Verringerung von Koinzidenzen.The measuring probe designed according to the invention permits continuous determination Size of moving particles in resting or flowing transparencies fluids or in vacuum with high accuracy. The main downsizing the light-guiding cross section of the additional element (this purpose moderately smaller than the smallest particle cross-section to be measured on the one hand results in a considerably more precise evaluation of the pulse width, since large pulse widths are generated on steep pulse edges, and on the other hand leads the reduction of the active measuring volume to reduce coincidences.
Die definierte Abbildung der bewegten Partikeln durch Parallelprojektion bzw. durch definierte optische Abbildung sichert eine unverfälschte Impulserzeugung sowie eine exakte Auswertung der (in Richtung der Gitterachse verlaufenden Komponente der) Partikelbildgeschwindigkeit. The defined mapping of the moving particles by parallel projection or by Defined optical image ensures an unadulterated pulse generation as well as a exact evaluation of the component of the Particle image speed.
Die Merkmale der Unteransprüche ermöglichen eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. So ist die Erfindung u. a. sowohl unter Verwendung von flexiblen Lichtleit fasern als auch unter Verwendung von integriert-optischen Wellenleitern realisierbar, wodurch eine weitere Verbesserung der Genauigkeit, auch durch Einsatz von Wel lenleitern mit hohem Aspektverhältnis (Verhältnis Höhe zu Breite des Wellenleiter querschnitts) erreichbar ist.The features of the subclaims enable an advantageous embodiment of the Invention. So the invention is u. a. both using flexible light guide fibers as well as using integrated optical waveguides, which further improves accuracy, also by using Wel lenleitern with high aspect ratio (ratio height to width of the waveguide cross-section) is accessible.
Die Anwendung von flexiblen Lichtleitfasern gestattet gemäß Anspruch 6 auch die Bestimmung der Richtung der Partikelgeschwindigkeit. Mit Hilfe der Ausgestaltung nach den Ansprüchen 8 und 9 ist die Bestimmung der Partikelgröße nicht nur aus einer Sehnenlänge, sondern aus einer Anzahl von Meßsignalen möglich, so daß auch die Partikelform beurteilt werden kann.The use of flexible optical fibers also allows according to claim 6 Determination of the direction of the particle speed. With the help of the design according to claims 8 and 9, the determination of the particle size is not only from a chord length, but possible from a number of measurement signals, so that too the particle shape can be assessed.
Bei allen Varianten ist sowohl der Einsatz eines Einfach-, besser jedoch eines Diffe renzgitters innerhalb der Ortsfrequenzfilteranordnung realisierbar.In all variants, the use of a simple, but better a dif is renzgitters realizable within the spatial frequency filter arrangement.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert.The invention is explained below using several exemplary embodiments.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing:
Fig. 1 die Ansicht einer Meßsonde, Fig. 1 is a view of a measuring probe,
Fig. 2 die vergrößerte Ansicht in Richtung des Pfeils "A" in Fig. 1, Fig. 2 is an enlarged view in the direction of arrow "A" in Fig. 1,
Fig. 3 die vergrößerte Ansicht in Richtung des Pfeils "B" in Fig. 1, Fig. 3 shows the enlarged view in the direction of arrow "B" in Fig. 1,
Fig. 4 eine Schaltungskonfiguration des Systems, Fig. 4 shows a circuit configuration of the system,
Fig. 5 eine Variante zu Fig. 2, Fig. 5 shows a variant of Fig. 2,
Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel. Fig. 6 shows another embodiment.
In einem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1 bis Fig. 4) besteht die Meßsonde aus einem Gehäuse 1, an das sich als Meßsondenkörper ein Meßrohr 2 anschließt. Das dem Gehäuse 1 abgewandte Ende des Meßrohrs 2 befindet sich im Prozeßraum (nicht gezeichnet). Es weist eine parallelflächige Aussparung 3 auf, durch die sich die Partikeln auf ihren Trajektorien im Prozeßraum hindurchbewegen.In a first embodiment (Fig. 1 to Fig. 4) the measuring probe comprises a housing 1, joins transducer body as a measurement tube 2 to the. The end of the measuring tube 2 facing away from the housing 1 is in the process space (not shown). It has a cutout 3 with a parallel surface, through which the particles move on their trajectories in the process space.
Im Bereich der Aussparung 3 ist die optische Meßstelle angeordnet. Diese besteht aus der optischen Ortsfrequenzfilteranordnung OF mit dem zusätzlichen lichtwellen leitenden Element in der dem Gehäuse 1 zugewandten Fläche 3.1 der Aussparung 3 und der Beleuchtungseinrichtung BE in der dazu parallelen Fläche 3.2. The optical measuring point is arranged in the area of the recess 3 . This consists of the optical spatial frequency filter arrangement OF with the additional light-wave-conducting element in the surface 3.1 of the recess 3 facing the housing 1 and the lighting device BE in the surface 3.2 parallel to it.
Die optische Ortsfrequenzfilteranordnung OF soll im ersten Ausführungsbeispiel aus flexiblen Lichtleitfasern 4 bestehen, deren Stirnflächen 4.1 in einer optischen Wir kungsfläche 5 münden und dort gitterartig angeordnet sind. Jeweils abwechselnd ist eine Lichtleitfaser 4 einem ersten und einem zweiten Gitter zugeordnet, so daß ein Differenzgitter gebildet wird. Jedes Gitter (s. Fig. 4) ist (als optoelektronische Wand lereinrichtung) auf einen Photoempfänger 6 (vorzugsweise eine Photodiode) geführt, deren Ausgänge über getrennte Signalvorverstärker 7 mit einem Differenzverstärker 8 verbunden sind. Über Bandpaß 9, Nachverstärker 10 und A/D-Karte 11 wird das Geschwindigkeitssignal wahlweise einem PC 12 oder einem Mikrocontroller 13 zwecks Signalanalyse zugeführt.In the first exemplary embodiment, the optical spatial frequency filter arrangement OF should consist of flexible optical fibers 4 , the end faces 4.1 of which lead to an optical effect surface 5 and are arranged there in a grid-like manner. An optical fiber 4 is alternately associated with a first and a second grating, so that a differential grating is formed. Each grid (see FIG. 4) is (as an optoelectronic converter device) guided to a photoreceiver 6 (preferably a photodiode), the outputs of which are connected to a differential amplifier 8 via separate signal preamplifiers 7 . The speed signal is optionally fed to a PC 12 or a microcontroller 13 for signal analysis via bandpass 9 , post amplifier 10 and A / D card 11 .
Das elektronische System ist im Gehäuse 1 der Meßsonde untergebracht.The electronic system is housed in the housing 1 of the measuring probe.
Der vorstehend beschriebenen Ortsfrequenzfilteranordnung OF ist als zusätzliches lichtwellenleitendes Element eine Lichtleitfaser 14 zugeordnet, deren Stirnfläche 14.1 gleichfalls in der optischen Wirkungsfläche 5 mündet. Vorzugsweise ist sie asymme trisch zur Gitterachse des Ortsfrequenzfilters angeordnet, so daß auch die Richtung der Partikelgeschwindigkeit bestimmt werden kann.The spatial frequency filter arrangement OF described above is associated with an optical fiber 14 as an additional optical waveguiding element, the end face 14.1 of which also ends in the optical effective area 5 . It is preferably arranged asymmetrically to the grid axis of the spatial frequency filter, so that the direction of the particle speed can also be determined.
Der Durchmesser df der zusätzlichen Lichtleitfaser 14 und damit deren lichtführender Querschnitt ist deutlich kleiner dimensioniert als der Durchmesser der Lichtleitfasern 4 des Ortsfrequenzfilters. Vorzugsweise wird der Durchmesser df kleiner als der kleinste zu messende Partikeldurchmesser festgelegt.The diameter d f of the additional optical fiber 14 and thus its light-guiding cross section is dimensioned significantly smaller than the diameter of the optical fibers 4 of the spatial frequency filter. The diameter d f is preferably set to be smaller than the smallest particle diameter to be measured.
Der durch die zusätzliche Lichtleitfaser 14 gebildete zweite Meßkanal ist über einen gesonderten Photoempfänger 15 und einen Verstärker 16 ebenfalls auf die zweikana lig ausgestattete A/D-Karte 11 geführt.The second measuring channel formed by the additional optical fiber 14 is also routed to the two-channel A / D card 11 via a separate photo receiver 15 and an amplifier 16 .
Die Beleuchtungseinrichtung BE besteht im ersten Ausführungsbeispiel zwecks Rea lisierung einer Parallelprojektion aus einer im Gehäuse 1 untergebrachten Lichtquelle, vorzugsweise einer LED 17, einer Lichtleitfaser 18 und einer Gradientenindexlinse 19, die ein paralleles Lichtbündel erzeugt.The lighting device BE consists in the first embodiment for the purpose of realizing a parallel projection from a light source accommodated in the housing 1 , preferably an LED 17 , an optical fiber 18 and a gradient index lens 19 , which generates a parallel light beam.
Die Wirkungsweise ist wie folgt:
Während des Meßvorgangs passieren Partikeln im Verlauf ihrer Trajektorie das durch
die Beleuchtungseinrichtung BE beleuchtete Meßvolumen, welches durch die Aus
sparung 3 im Meßrohr 2 gebildet ist. Bedingt durch die Parallelprojektion fällt das be
wegte Schattenbild der Partikeln auf die optische Wirkungsfläche 5 mit der Ortsfre
quenzfilteranordnung OF aus flexiblen Lichtleitfasern 4, wobei die Partikelbildge
schwindigkeit der Partikelgeschwindigkeit in Richtung der Gitterachse entspricht. Die
Frequenzanalyse im PC 12 liefert den Geschwindigkeitswert (gemäß Gleichung (1)),
der der Partikelgrößenbestimmung wie folgt zugrunde gelegt wird:
Das bewegte Schattenbild der Partikeln erzeugt im dem Ortsfrequenzfilter zugeordne
ten, aus der zusätzlichen Lichtleitfaser 14 mit Photoempfänger 15 und Verstärker 16
gebildeten zweiten Meßkanal Impulse, deren Breite durch Abtastung nach Triggerung
auf den Impulsflanken bestimmt wird. Gemäß Gleichung (2) wird nun die Partikelgrö
ße x aus der Partikelgeschwindigkeit, Impulsbreite und dem Durchmesser der zusätz
lichen Lichtleitfaser 14 im PC 12 bestimmt, wobei bei Parallelprojektion der Abbil
dungsmaßstab M = 1 ist.The mode of action is as follows:
During the measuring process, particles pass in the course of their trajectory, the measuring volume illuminated by the lighting device BE, which is formed by the cutout 3 in the measuring tube 2 . Due to the parallel projection, the moving silhouette of the particles falls onto the optical effective area 5 with the spatial frequency filter arrangement OF made of flexible optical fibers 4 , the particle image speed corresponding to the particle speed in the direction of the grating axis. The frequency analysis in the PC 12 provides the speed value (according to equation (1)), which is used as a basis for determining the particle size as follows:
The moving silhouette of the particles generated in the spatial frequency filter assigned, formed from the additional optical fiber 14 with photo receiver 15 and amplifier 16 second measuring channel pulses, the width of which is determined by sampling after triggering on the pulse edges. According to equation (2), the particle size x is now determined from the particle speed, pulse width and the diameter of the additional optical fiber 14 in the PC 12 , the image scale being M = 1 in the case of parallel projection.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist bezüglich der Ortsfrequenzfilteranordnung OF und der Beleuchtungseinrichtung BE analog dem ersten Ausführungsbeispiel aufge baut. Unterschiedlich ist jedoch, daß anstelle einer einzelnen zusätzlichen Lichtleitfa ser 14 ein weiteres Gitter 20 von zusätzlichen Lichtleitfasern eingesetzt ist (Fig. 5), dessen Gitterachse rechtwinklig zur Achse der Ortsfrequenzfilteranordnung OF ver läuft. Die Lichtleitfasern sind ausgangsseitig jeweils über gesonderte Photoempfänger 15.1 und Verstärker 16.1 (nicht gezeichnet) einer entsprechend mehrkanaligen A/D- Karte 11.1 zugeführt.A second embodiment is based on the spatial frequency filter arrangement OF and the lighting device BE similar to the first embodiment. The difference is, however, that instead of a single additional Lichtleitfa water 14 , another grid 20 of additional optical fibers is used ( Fig. 5), the grating axis of which runs at right angles to the axis of the spatial frequency filter arrangement OF ver. On the output side, the optical fibers are each fed to a corresponding multi-channel A / D card 11.1 via separate photo receivers 15.1 and amplifiers 16.1 (not shown).
In einer (nicht gezeichneten) Ausführungsvariante können die zusätzlichen Lichtleitfa sern (im Unterschied zum Gitter 20 mit gleicher Gitterkonstante) auch in unterschied lichem, jedoch bestimmten Abstand von einander angeordnet sein.In an embodiment variant (not shown), the additional optical fibers (in contrast to the grating 20 with the same grating constant) can also be arranged at a different, but certain distance from one another.
Da jedes Element dieses weiteren Gitters 20 (bzw. der gitterähnlichen Anordnung) einen gesonderten, hinsichtlich seiner Breite auswertbaren Impuls erzeugt, kann nunmehr neben der genaueren Partikelgrößenbestimmung aus einer Anzahl von Sehnen auch aus der konkreten, jedem Element zugeordneten Lage der Impulse, die Form der Partikeln bestimmt werden. Since each element of this further grating 20 (or the grating-like arrangement) generates a separate pulse that can be evaluated in terms of its width, the shape of the pulse can now be determined from a number of chords in addition to the more precise particle size determination Particles are determined.
In einem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 6) werden in einer Ebene 21 weitgehend allseitig beleuchtete Partikeln mit Hilfe einer Abbildungsoptik auf die erweiterte Orts frequenzfilteranordnung OF abgebildet. Anhand der beleuchteten Ebene 21 kann der Objektabstand und damit der Abbildungsmaßstab genau bestimmt werden. Die Be leuchtungseinrichtung BE besteht aus einem LASER 22 mit nachgeordneten, um 90° verdrehten Zylinderlinsen 23, die auf die Partikeiströmung gerichtet sind. Vorzugs weise rechtwinklig zu Laserstrahl und Partikelströmung ist eine Meßkamera 24 an geordnet, welche ein Objektiv und die um das zusätzliche Element erweiterte Ortsfre quenzfilteranordnung enthält.In a third exemplary embodiment ( FIG. 6), particles which are largely illuminated on all sides are imaged in a plane 21 with the aid of imaging optics on the expanded spatial frequency filter arrangement OF. On the basis of the illuminated plane 21 , the object distance and thus the imaging scale can be determined precisely. The Be BE illumination unit consists of a laser 22 with downstream, twisted by 90 degrees the cylindrical lenses 23, which are directed to the Partikeiströmung. Preferably, at right angles to the laser beam and particle flow, a measuring camera 24 is arranged, which contains a lens and the spatial filter frequency arrangement expanded by the additional element.
Mit dieser Ausführungsvariante kann die Partikelgröße berührungsfrei, d. h. ohne Einbringung einer Sonde in die Partikelströmung, bestimmt werden.With this embodiment variant, the particle size can be contact-free, i. H. without Insertion of a probe into the particle flow can be determined.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen die lichtwellenleitenden Ele mente der Ortsfrequenzfilteranordnung sowie das zusätzliche lichtwellenleitende Element nicht aus flexiblen Lichtleitfasern, sondern aus integriert-optischen Wellenlei tern. Diese sind als Bereiche mit unterschiedlicher optischer Brechzahl zum die Ele mente tragenden Grundmaterial ausgebildet. Basis dafür kann ein aus zwei Hälften aufgebautes Bauelement aus einem Spezialglas sein, in dessen Trennfuge lichtwel lenleitende Bahnen mit abweichender Brechzahl mittels Ionenaustauschs durch einen Diffusionsvorgang hergestellt sind. Die Stirnflächen des Bauelements bilden die Ortsfrequenzfilteranordnung mit dem zusätzlich eingefügten Element.According to a further exemplary embodiment, the optical waveguide elements exist elements of the spatial frequency filter arrangement and the additional optical waveguide Element not from flexible optical fibers, but from integrated optical waveguide tern. These are areas with different optical refractive index to the ele ment-bearing basic material. The basis for this can be one of two halves built component from a special glass, in the parting line light wel lenleitenden tracks with a different refractive index by ion exchange through a Diffusion process are made. The end faces of the component form the Spatial frequency filter arrangement with the additional element inserted.
Weitere mögliche Werkstoffe sind Polymere, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat in Verbindung mit einem Copolymer, wie sie in der LIGA-Technik zur Herstellung passiver integriert-optischer Komponenten eingesetzt werden (Rogner, A., Ehrfeld, W.: Die LIGA-Technik in der Integrierten Optik, Feinwerktechnik & Meßtechnik 99 (1991) 9, 380-384).Other possible materials are polymers, such as polymethyl methacrylate in combination with a copolymer as used in the LIGA technology for production passive integrated optical components are used (Rogner, A., Ehrfeld, W .: LIGA technology in integrated optics, precision engineering & measurement technology 99 (1991) 9: 380-384).
Der Einsatz integriert-optischer Wellenleiter gestattet eine hohe Positioniergenauig keit der lichtwellenleitenden Elemente, die unaufwendige Integration des zusätzlichen Elements in das Ortsfrequenzfilter und die Herstellung von Wellenleitern mit hohem Aspektverhältnis, wodurch insgesamt eine weitere wesentliche Verbesserung der Meßgenauigkeit erzielbar ist.The use of integrated optical waveguides enables high positioning accuracy speed of the light waveguiding elements, the uncomplicated integration of the additional Elements in the spatial frequency filter and the manufacture of waveguides with high Aspect ratio, making a further major improvement in overall Measuring accuracy can be achieved.
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