WO2001053800A2 - Photometer and a method for measuring and analysing particles - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the field of measurement technology and relates to a photometer for measuring size and / or concentration and for analyzing particles in the micro and submicrometer range, and to a method for measuring and analyzing particles
- Photometers of the type mentioned are basically known. They have a light source and at least one photodiode or another sensor for measuring the light output (hereinafter referred to as photodetector) and at least one optical system for bundling the beams
- the photometric determination of an average particle size in suspensions with nanometer particles is limited by another phenomenon.
- increasing volume-specific surface area of the particles i.e. decreasing average particle size
- the optical effect of a particle described by the extinction coefficient decreases sharply.
- very many small particles preferably ⁇ 1 ⁇ m
- the object of the invention is to provide a photometer and a method for precise measurements and analyzes of particles in the micrometer and submicron range in suspensions and aerosols
- the object is achieved by a photometer with an illumination source, a measuring chamber, at least one photodetector, optics and means for measuring and analyzing the electrical signal of the at least one photodetector, in which the size of the measuring zone in cross section in the measuring plane at the height of the measuring chamber of the illuminating beam, which is imaged on the sensor by the optics of the at least one photodetector, or the cross section of the illuminating beam itself, approximately, if possible in a ratio of one tenth to ten times the maximum particle size, and the electrical signal of the at least one Photodetector is present at the input of a memory
- the object is further achieved by a method in which in a photometer, which contains at least one illumination source, a measuring chamber, a photodetector, optics and means for measuring and analyzing electrical signals from the photodetector, in the measuring plane at the height of the measuring chamber, particle signals from Photodetector recorded, forwarded to a memory and then both statistically and / or stochastically evaluated integrally
- the cycle time of the memory is approximately 1/10 of the average residence time of the particles in the measuring zone, the different optical effects of differently sized particles in the micro and submicron range when passing through the Measuring zone recorded differentiated From the recorded, preferably digitized signal curves, characteristic pulse curves of large particles as well as fluctuating elongations (fluctuations) of larger particles as well as constant low turbidity due to many small particles are visible or via evaluation with a computer, which is preferably connected to the time-controlled memory is made visible
- the turbidity measurement is no longer obtained by integrating the light output over a large cross section compared to the particle dimensions, but by averaging Many, separately recorded individual signals This feature is not an advantage in itself.
- the advantages result from the fact that the same individual signals, as will be shown in the exemplary embodiment, can also be evaluated in other ways, and as a result the particles can be analyzed comprehensively and clearly
- a laser diode is preferably used as the illumination source. With it, the small measuring zone can be illuminated very brightly.
- the detection optics of transmission and backscattering are aligned with the illuminated measuring zone with dimensions of a few micrometers
- the irradiated light output is preferably regulated or readjusted.To this end, it is measured with a reference detector and compared with the detector signals. If the transmission signal is too low compared to the reference signal due to the increasing concentration of nanometer particles, the light output can be increased to values which would result in an overload of the particle-free measuring space Transmission detectors were used If no transmission can be measured despite the increase in power, then the backscattering delivers significant values. In this way, instantaneous values of extinction and / or backscattering can be measured in a particle concentration range from about 0.1 to about 20 Voi%
- the signal curve of the transmission or backscatter recorded with a high resolution can be evaluated in various ways
- the signal curves can be recorded and evaluated over the entire measuring time.It is also possible, however, to save and evaluate only short intervals during the measurement and to reset the memory to zero.For evaluation, for example, the interval mean value can be formed from the stored values of each interval and separated can be saved in order to ultimately form the mean value of the measurement from the interval mean values. The accuracy of the measurement increases with the same electronic effort. In industrial measurements, the process can be monitored for a long period of time according to a predetermined time regime
- the properties of the photometer contained in the invention measuring average particle sizes in real time and the magnitude of their integration limits and monitoring or identifying rare particles, in conjunction with the wide particle concentration range, offer all the prerequisites for online process measurement (without sampling and dilution)
- FIG. 1 A photometer designed according to the invention is shown schematically in FIG. 1
- the beam from a laser diode 1 falls through a diaphragm 2 onto a semitransparent mirror 3. In the beam direction it strikes a reference photodetector 10. Perpendicular to this, it forms the illuminating beam through the measuring chamber 6 (here a flow cell). It passes through a quarter-wave plate 4, an optical system 5, the flow-through cuvette 6 and an aperture 7 A photodetector 8 for measuring the transmission is arranged in the axis of the illumination beam. The light scattered back by the particles in the flow-through cuvette 6 is measured with a further photodetector 9. The quarter-wave plate 4 thereby cuts through Phase shift towards and reflected light
- the signal curve measured with the photodetectors 8 and 9 is stored with a digital storage oscilloscope 11 and evaluated with a computer 12 (in the illustration only the photodetector 8 is connected to the storage oscillograph 11).
- the particles to be measured are in suspension, which flows through the flow cuvette in a known manner (indicated here with two arrows perpendicular to the illuminating beam)
- the already strongly bundled laser beam is focused on the cuvette with the optics 5.
- the optics of the photodetectors 8 and 9 are directed in the measuring plane (at the height of the cuvette 6) to a part of the cross-section of the illumination beam and each detect an illuminated measuring zone of a few micrometers of which Large is set approximately to the maximum particle size
- the signal evaluation provides information about the integration limits of the integrally averaged particle sizes.
- the variants 1 to 3 provide information as to whether the lower integration limit is in the nanometer range and whether the upper one is in the nano- or micrometer range.
- the micrometer range is up limited by the measuring zone size Exceeding provides significant single impulses as a result of the stochastic single pulse evaluation, which has not yet been dealt with
- the stochastic single pulse evaluation provides the opportunity to distinguish rare coarse contamination particles ("specks", spray particles), air bubbles or coarse particle flakes (porous agglomerates)
Abstract
The invention relates to a photometer for measuring and analysing particles in the micro and submicro range. Said particles are located in a suspension, an emulsion or in an aerosol and are guided through a flow-through cell or another measuring chamber or are located therein. Measuring and analysis are carried out by measuring the transmission or extinction of light passing through the measuring chamber and optionally by means of the backscatter from the measuring chamber. According to the invention, the size of the measuring zone approximately matches the maximal particle size. The digital individual signals of the highly resolved signal curve can be evaluated integrally, statistically and by comparing said signals to given signal curves. Average particle sizes and the dimension of the integration limits thereof can be clearly measured in real time and rare particles can be monitored or identified in a particle concentration range of approximately 0.1 to approximately 20 vol % even when there is a greater share of particles in the submicrometer range.
Description
Fotometer und Verfahren zur Messung und Analyse von PartikelnPhotometer and method for measuring and analyzing particles
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik und betrifft ein Fotometer zur Messung von Große und/oder Konzentration sowie zur Analyse von Partikeln im Mikro- und Submikrometerbereich, sowie ein Verfahren zur Messung und Analyse von PartikelnThe invention relates to the field of measurement technology and relates to a photometer for measuring size and / or concentration and for analyzing particles in the micro and submicrometer range, and to a method for measuring and analyzing particles
Fotometer der genannten Art sind grundsätzlich bekannt Sie haben eine Lichtquelle und wenigstens eine Fotodiode oder einen anderen Sensor zur Messung der Lichtleistung (im folgenden Fotodetektor) sowie wenigstens eine Optik zur Bündelung der StrahlenPhotometers of the type mentioned are basically known. They have a light source and at least one photodiode or another sensor for measuring the light output (hereinafter referred to as photodetector) and at least one optical system for bundling the beams
In DE 197 11 494 wurde festgestellt "Es sind bereits Verfahren zur Partikelgroßenmessung bekannt, die statistische Daten aus einer Transmissionsmessung nutzen Dabei wird eine Messung der mittleren Transmission (diese ist nur abhangig von der Partikel-Projektionsflachen- Konzentration bzw von der Volumenkonzentration und der mittleren Partikelgroße) in Beziehung gesetzt zur Standardabweichung der Transmission, die bei einem festen Strahldurchmesser gemessen wird Die Standardabweichung ist abhangig von der Volumenkonzentration, wobei aber keine eindeutige Funktion besteht (Gregory in Journal of Coloid and Interface Science, Vol 105, No 2, 1985, S 357) und von der mittleren Partikelgroße Auf diese Weise können für einen bestimmten Wertebereich die Konzentration und die mittlere Partikelgroße bestimmt werden, die Messung einer Partikelgroßenverteilung ist jedoch nicht möglich "DE 197 11 494 stated "Methods for particle size measurement are already known which use statistical data from a transmission measurement. A measurement of the average transmission (this is only dependent on the particle projection area concentration or on the volume concentration and the average particle size ) related to the standard deviation of the transmission, which is measured with a fixed beam diameter. The standard deviation depends on the volume concentration, but there is no clear function (Gregory in Journal of Coloid and Interface Science, Vol 105, No 2, 1985, p 357 ) and of the average particle size In this way, the concentration and the average particle size can be determined for a certain value range, but the measurement of a particle size distribution is not possible "
Sowohl das in dieser DE beanspruchte Verfahren als auch die dort als bekannt beschriebenen Verfahren setzen voraus, daß alle Partikelgroßen Signalfluktuationen der Transmission verursachen können Das ist nicht mehr der Fall, wenn sich nicht zu vernachlässigende Mengen an Nanometerpartikeln in der zu untersuchenden Dispersion befinden, da diese nur zur Erhöhung der mittleren Transmission beitragenBoth the method claimed in this DE and the methods described there as known presuppose that all particle-sized signal fluctuations can cause transmission.This is no longer the case if there are not negligible amounts of nanometer particles in the dispersion to be examined, since these only contribute to increasing the average transmission
Außerdem ist die fotometrische Bestimmung einer mittleren Partikelgroße in Suspensionen mit Nanometerpartikeln durch ein weiteres Phänomen beschrankt Mit zunehmender volumenspezifischer Oberflache der Partikel, d h kleiner werdender mittlerer Partikelgroße, nimmt die durch den Extinktionskoeffizienten beschriebene optische Wirkung eines Partikels stark ab Deshalb kann bei konstanter Volumenkonzentration der Partikel durch sehr viele kleine Partikel (vorzugsweise < 1 μm) die gleiche optische Wirkung wie durch wenige große Partikel auftreten Diese Mehrdeutigkeit stellt bei der fotometrischen Messung der spezifischen Oberflache von Aerosolen kein Hindernis dar, da wegen des großen relativen Brechungsindex von Partikeln in Gasen die beiden möglichen Losungen um Größenordnungen auseinander liegen und deshalb nur ein Wert plausibel ist (K Leschonski und T Boeck Photometric On-hne
Measurement of Surface Area of Powders In Part Charact 2(1985) 81-90) An gleicher Stelle wird darauf hingewiesen, daß bei Suspensionen wegen des kleineren relativen Brechungsindex in Flüssigkeiten der kritische Bereich der Mehrdeutigkeiten sich zu feineren Partikeln in den Submikrometerbereich verschiebt und die fotometrische Messung in Suspensionen daher weniger zur Bestimmung der spezifischen Oberflache geeignet istIn addition, the photometric determination of an average particle size in suspensions with nanometer particles is limited by another phenomenon.With increasing volume-specific surface area of the particles, i.e. decreasing average particle size, the optical effect of a particle described by the extinction coefficient decreases sharply.Therefore, with constant volume concentration of the particles, very many small particles (preferably <1 μm) have the same optical effect as a few large particles. This ambiguity is not an obstacle in the photometric measurement of the specific surface area of aerosols because the two possible solutions due to the large relative refractive index of particles in gases are orders of magnitude apart and therefore only one value is plausible (K Leschonski and T Boeck Photometric On-hne Measurement of Surface Area of Powders In Part Charact 2 (1985) 81-90) At the same point it is pointed out that in suspensions because of the smaller relative refractive index in liquids the critical range of ambiguities shifts to finer particles in the submicrometer range and the photometric Measurement in suspensions is therefore less suitable for determining the specific surface
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fotometer und ein Verfahren für genaue Messungen und Analysen von Partikeln im Mikro- und Submikrometerbereich in Suspensionen und Aerosolen anzugebenThe object of the invention is to provide a photometer and a method for precise measurements and analyzes of particles in the micrometer and submicron range in suspensions and aerosols
Erfindungsgemaß wird die Aufgabe durch ein Fotometer mit einer Beleuchtungsquelle, einer Meßkammer, wenigstens einem Fotodetektor, einer Optik sowie Mitteln zur Messung und Analyse des elektrischen Signals des wenigstens einen Fotodetektors gelost, bei dem in der Meßebene in Hohe der Meßkammer die Große der Meßzone im Querschnitt des Beleuchtungsstrahls, die von der Optik des wenigstens einen Fotodetektors auf den Sensor abgebildet wird, oder der Querschnitt des Beleuchtungsstrahls selbst, in etwa, möglichst in einem Verhältnis von einem Zehntel bis zum Zehnfachen, der maximalen Partikelgroße entspricht, und das elektrische Signal des wenigstens einen Fotodetektors am Eingang eines Speichers anliegtAccording to the invention, the object is achieved by a photometer with an illumination source, a measuring chamber, at least one photodetector, optics and means for measuring and analyzing the electrical signal of the at least one photodetector, in which the size of the measuring zone in cross section in the measuring plane at the height of the measuring chamber of the illuminating beam, which is imaged on the sensor by the optics of the at least one photodetector, or the cross section of the illuminating beam itself, approximately, if possible in a ratio of one tenth to ten times the maximum particle size, and the electrical signal of the at least one Photodetector is present at the input of a memory
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren gelost, bei dem in einem Fotometer, welches wenigstens eine Beleuchtungsquelle, eine Meßkammer, einen Fotodetektor, eine Optik und Mittel zur Messung und Analyse von elektrischen Signalen des Fotodetektors enthalt, in der Meßebene in Hohe der Meßkammer Partikelsignale vom Fotodetektor aufgenommen, zu einem Speicher weitergeleitet und dann sowohl integral statistisch und/oder stochastisch ausgewertet werdenThe object is further achieved by a method in which in a photometer, which contains at least one illumination source, a measuring chamber, a photodetector, optics and means for measuring and analyzing electrical signals from the photodetector, in the measuring plane at the height of the measuring chamber, particle signals from Photodetector recorded, forwarded to a memory and then both statistically and / or stochastically evaluated integrally
Durch die bewußte Verkleinerung des Meßraums und die schnelle Abtastung des gemessenen Signalverlaufs, vorzugsweise betragt die Taktzeit des Speichers etwa 1/10 der mittleren Verweildauer der Partikel in der Meßzone, wird die verschiedene optische Wirkung unterschiedlich großer Partikel im Mikro- und Submikrometerbereich beim Durchgang durch die Meßzone differenziert erfaßt Aus den aufgezeichneten, vorzugsweise digitalisierten Signalverlaufen werden sowohl charakteristische Impulsverlaufe großer Partikel als auch schwankende Elongationen (Fluktuationen) größerer Partikel als auch konstante geringe Trübungen durch viele kleine Partikel sichtbar bzw über die Auswertung mit einem Rechner, der vorzugsweise an den zeitgetakteten Speicher angeschlossen ist, sichtbar gemachtBy deliberately reducing the size of the measuring space and quickly scanning the measured signal curve, preferably the cycle time of the memory is approximately 1/10 of the average residence time of the particles in the measuring zone, the different optical effects of differently sized particles in the micro and submicron range when passing through the Measuring zone recorded differentiated From the recorded, preferably digitized signal curves, characteristic pulse curves of large particles as well as fluctuating elongations (fluctuations) of larger particles as well as constant low turbidity due to many small particles are visible or via evaluation with a computer, which is preferably connected to the time-controlled memory is made visible
Die Trübungsmessung ergibt sich nicht mehr durch Integration der Lichtleistung über einen gegenüber den Partikelabmessungen großen Querschnitt, sondern durch Mittelwertbildung über
viele, getrennt aufgezeichnete Einzelsignale Diese Besonderheit ist an sich noch kein Vorzug Die Vorteile ergeben sich dadurch, daß dieselben Einzelsignale, wie im Ausfuhrungsbeispiel noch gezeigt wird, auch anderweitig auswertbar sind und hierdurch die Partikel umfangreich und eindeutig analysiert werden könnenThe turbidity measurement is no longer obtained by integrating the light output over a large cross section compared to the particle dimensions, but by averaging Many, separately recorded individual signals This feature is not an advantage in itself. The advantages result from the fact that the same individual signals, as will be shown in the exemplary embodiment, can also be evaluated in other ways, and as a result the particles can be analyzed comprehensively and clearly
Als Beleuchtungsquelle wird vorzugsweise eine Laserdiode eingesetzt Mit ihr kann die kleine Meßzone sehr lichtstark ausgeleuchtet werden Die Detektionsoptiken von Transmission und Ruckstreuung sind auf die beleuchtete Meßzone mit Dimensionen von wenigen Mikrometern ausgerichtetA laser diode is preferably used as the illumination source. With it, the small measuring zone can be illuminated very brightly. The detection optics of transmission and backscattering are aligned with the illuminated measuring zone with dimensions of a few micrometers
Die eingestrahlte Lichtleistung wird vorzugsweise geregelt bzw nachgesteuert Hierzu wird sie mit einem Referenzdetektor gemessen und mit den Detektorsignalen verglichen Wird das Transmissionssignal gegenüber dem Referenzsignal infolge zunehmender Konzentration an Nanometerpartikeln zu gering, so kann die Lichtleistung auf Werte erhöht werden die bei partikelfreiem Meßraum zu einer Übersteuerung des Transmissionsdetektors fuhren wurden Ist trotz der Leistungserhohung keine Transmission mehr meßbar, dann liefert die Ruckstreuung signifikante Werte Auf diese Weise können in einem Partikelkonzentrationsbereich von etwa 0,1 bis etwa 20 Voi% Momentanwerte von Extinktion und/oder Ruckstreuung gemessen werdenThe irradiated light output is preferably regulated or readjusted.To this end, it is measured with a reference detector and compared with the detector signals.If the transmission signal is too low compared to the reference signal due to the increasing concentration of nanometer particles, the light output can be increased to values which would result in an overload of the particle-free measuring space Transmission detectors were used If no transmission can be measured despite the increase in power, then the backscattering delivers significant values. In this way, instantaneous values of extinction and / or backscattering can be measured in a particle concentration range from about 0.1 to about 20 Voi%
Der mit hoher Auflosung aufgezeichnete Signalverlauf der Transmission oder Ruckstreuung kann verschieden ausgewertet werdenThe signal curve of the transmission or backscatter recorded with a high resolution can be evaluated in various ways
- integral (vorzugsweise Mittelwertbildung)- integral (preferably averaging)
- statistisch (vorzugsweise die Ermittlung der Standardabweichung)- statistical (preferably the determination of the standard deviation)
- stochastisch (insbesondere durch Vergleich der digitalisierten Signalfolge mit vorgegebenen charakteristischen Impulsverlaufen)- stochastic (in particular by comparing the digitized signal sequence with predetermined characteristic pulse curves)
Da jede der drei verschiedenen Auswertungen auf dieselben Pπmardaten zugreift, entspricht das Ergebnis quasi einer simultanen Messung verschiedener Parameter Mit moderner Rechentechnik kann die Auswertung parallel und in Echtzeit erfolgen und zwar sowohl in Transmission als auch in RuckstrahlungSince each of the three different evaluations accesses the same Pπmardaten, the result corresponds to a simultaneous measurement of different parameters. With modern computing technology, the evaluation can take place in parallel and in real time, both in transmission and in retroreflection
Die Signalverlaufe können über die gesamte Meßzeit aufgezeichnet und ausgewertet werden Es ist aber ebenso möglich, wahrend der Messung nur jeweils kurze Intervalle zu speichern, auszuwerten und den Speicher auf Null zurückzusetzen Zur Auswertung kann beispielsweise von den gespeicherten Werten jedes Intervalls der Intervallmittelwert gebildet und dieser getrennt gespeichert werden, um letztlich aus den Intervallmittelwerten den Mittelwert der Messung zu bilden Bei gleichem elektronischen Aufwand erhöht sich die Genauigkeit der Messung Bei industriellen Messungen kann der Prozeß nach vorgegebenem Zeitregimes über einen langen Zeitraum meßtechnisch begleitet werden
Die in der Erfindung enthaltenen Eigenschaften des Fotometers, in Echtzeit mittlere Partikelgroßen und die Größenordnung ihrer Integrationsgrenzen zu messen sowie seltene Partikel zu überwachen bzw zu identifizieren, bieten in Verbindung mit dem breiten Partikelkonzentrationsbereich alle Voraussetzungen für eine Online-Prozeßmessung (ohne Probennahme und Verdünnung)The signal curves can be recorded and evaluated over the entire measuring time.It is also possible, however, to save and evaluate only short intervals during the measurement and to reset the memory to zero.For evaluation, for example, the interval mean value can be formed from the stored values of each interval and separated can be saved in order to ultimately form the mean value of the measurement from the interval mean values. The accuracy of the measurement increases with the same electronic effort. In industrial measurements, the process can be monitored for a long period of time according to a predetermined time regime The properties of the photometer contained in the invention, measuring average particle sizes in real time and the magnitude of their integration limits and monitoring or identifying rare particles, in conjunction with the wide particle concentration range, offer all the prerequisites for online process measurement (without sampling and dilution)
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erklart In Figur 1 ist ein erfindungsgemaß ausgebildetes Fotometer schematisch dargestelltThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. A photometer designed according to the invention is shown schematically in FIG
Der Strahl einer Laserdiode 1 fallt durch eine Blende 2 auf einen halbdurchlassigen Spiegel 3 In Strahlrichtung trifft er auf einen Referenzfotodetektor 10 Senkrecht hierzu bildet er den Beleuchtungsstrahl durch die Meßkammer 6 (hier eine Durchflußkuvette) Er durchlauft eine Lambda-Viertel-Platte 4, eine Optik 5, die Durchlaufkuvette 6 sowie eine Blende 7 In der Achse des Beleuchtungsstrahls ist ein Fotodetektor 8 zur Messung der Transmission angeordnet Das von den Partikeln in der Durchflußkuvette 6 ruckgestreute Licht wird mit einem weiteren Fotodetektor 9 gemessen Die Lambda-Viertel-Platte 4 trennt dabei durch Phasenverschiebung hin - und ruckgestrahltes LichtThe beam from a laser diode 1 falls through a diaphragm 2 onto a semitransparent mirror 3. In the beam direction it strikes a reference photodetector 10. Perpendicular to this, it forms the illuminating beam through the measuring chamber 6 (here a flow cell). It passes through a quarter-wave plate 4, an optical system 5, the flow-through cuvette 6 and an aperture 7 A photodetector 8 for measuring the transmission is arranged in the axis of the illumination beam. The light scattered back by the particles in the flow-through cuvette 6 is measured with a further photodetector 9. The quarter-wave plate 4 thereby cuts through Phase shift towards and reflected light
Der mit den Fotodetektoren 8 und 9 gemessene Signalverlauf wird mit einem digitalen Speicheroszilloskop 11 gespeichert und mit einem Computer 12 ausgewertet (In der Darstellung ist nur der Fotodetektor 8 an den Speicheroszillografen 1 1 angeschlossen )The signal curve measured with the photodetectors 8 and 9 is stored with a digital storage oscilloscope 11 and evaluated with a computer 12 (in the illustration only the photodetector 8 is connected to the storage oscillograph 11).
Die auszumessenden Partikel befinden sich in Suspension, die in bekannter Weise die Durchflußkuvette durchströmt (hier mit zwei Pfeilen senkrecht zum Beleuchtungsstrahl angedeutet)The particles to be measured are in suspension, which flows through the flow cuvette in a known manner (indicated here with two arrows perpendicular to the illuminating beam)
Der bereits stark gebündelte Laserstrahl wird mit der Optik 5 auf die Kuvette fokussiert Die Optiken der Fotodetektoren 8 und 9 sind in der Meßebene (in Hohe der Kuvette 6) auf einen Teil des Querschnitts des Beleuchtungsstrahls gerichtet und erfassen jeweils eine beleuchtete Meßzone von wenigen Mikrometern Deren Große ist in etwa auf die maximale Partikelgroße eingestelltThe already strongly bundled laser beam is focused on the cuvette with the optics 5. The optics of the photodetectors 8 and 9 are directed in the measuring plane (at the height of the cuvette 6) to a part of the cross-section of the illumination beam and each detect an illuminated measuring zone of a few micrometers of which Large is set approximately to the maximum particle size
Mit den bereits oben beschriebenen verschiedenen Auswertungen (integral, statistisch und stochastisch) können folgende Falle unterschieden werdenWith the various evaluations already described above (integral, statistical and stochastic), the following cases can be distinguished
1 Es befinden sich ausschlieslich Nanometerpartikel in der Kuvette Dann wird ein Mittelwert von Transmission und/oder Ruckstreuung gemessen, es werden jedoch keine signifikannten Fluktuationen registriert Das Signifikanzkriterium kann abhangig von dem Mittelwert festgelegt sein Bei bekannter Volumenkonzentration und bekanntem Brechungsindex werden durch das mathematische Modell zwei mögliche Losungen für die mittlere
Partikelgroße berechnet und wegen der fehlenden Fluktuationen die Nanometeriosung ausgewählt1 There are only nanometer particles in the cuvette.A mean value of transmission and / or backscatter is then measured, but no significant fluctuations are registered.The significance criterion can be determined depending on the mean value.With a known volume concentration and known refractive index, the mathematical model makes two possible Solutions for the middle one Computed particle size and selected the nanometer solution because of the lack of fluctuations
Es befinden sich Nanometer- und Mikrometerpartikel in der Kuvette Dann werden ein Mittelwert von Transmission und/oder Ruckstreuung und signifikannte Fluktuationen gemessen Bei bekannter Volumenkonzentration und bekanntem Brechungsindex werden durch das mathematische Modell zwei mögliche Losungen für die mittlere Partikelgroße berechnet Für beide Partikelgroßen wird die Standardabweichung der Fluktuationen ausgewertet und jeweils eine hypothetische Partikelanzahlkonzentration berechnet Durch Multiplikation mit der zugehörigen Partikelgroße zur dritten Potenz werden zwei hypothetische Volumenkonzentrationen berechnet und mit der tatsächlichen Volumenkonzentration verglichen Die Mehrdeutigkeit wird zugunsten der Partikelgroße mit der plausiblen Volumenkonzentration entschiedenThere are nanometer and micrometer particles in the cuvette.A mean value of transmission and / or backscatter and significant fluctuations are measured. If the volume concentration and refractive index are known, the mathematical model calculates two possible solutions for the average particle size. For both particle sizes, the standard deviation is calculated Fluctuations are evaluated and a hypothetical particle number concentration is calculated by multiplying by the associated particle size to the third power, two hypothetical volume concentrations are calculated and compared with the actual volume concentration.The ambiguity is decided in favor of the particle size with the plausible volume concentration
3 Es befinden sich ausschließlich Mikrometerpartikel in der Kuvette Dann wird die unter 2 beschriebene Methode eine Entscheidung zur gröberen Partikelgroße liefern und außerdem eine berechnete Volumenkonzentration an Partikeln, die sehr gut mit der tatsächlichen übereinstimmt3 There are only micrometer particles in the cuvette. Then the method described under 2 will provide a decision on the coarser particle size and also a calculated volume concentration of particles that corresponds very well with the actual one
Zusatzlich zu den mittleren Partikelgroßen liefert die Signalauswertung Aussagen zu den Integrationsgrenzen der integral gemittelten Partikelgroßen Die Varianten 1 bis 3 liefern die Information, ob die untere Integrationsgrenze im Nanometerbereich liegt und ob die obere im Nano- oder Mikrometerbereich liegt Bei dieser Aussage ist der Mikrometerbereich nach oben durch die Meßzonengroße begrenzt Ein Überschreiten liefert signifikante Einze mpulse im Ergebnis der bisher noch nicht behandelten stochastischen EinzelimpuisauswertungIn addition to the average particle sizes, the signal evaluation provides information about the integration limits of the integrally averaged particle sizes.The variants 1 to 3 provide information as to whether the lower integration limit is in the nanometer range and whether the upper one is in the nano- or micrometer range.With this statement, the micrometer range is up limited by the measuring zone size Exceeding provides significant single impulses as a result of the stochastic single pulse evaluation, which has not yet been dealt with
Durch Vergleich des digitalisierten Signalverlaufs mit vorprogrammierten Impulsformen liefert die stochastische Einzelimpulsauswertung die Möglichkeit, beispielsweise seltene grobe Verunreinigungspartikel ("Stippen", Spritzkorn), Luftblasen oder grobe Partikelflocken (poröse Agglomerate) voneinander zu unterscheiden
By comparing the digitized signal curve with pre-programmed pulse shapes, the stochastic single pulse evaluation provides the opportunity to distinguish rare coarse contamination particles ("specks", spray particles), air bubbles or coarse particle flakes (porous agglomerates)
Claims
1. Fotometer zur Messung und Analyse von Partikeln im Mikro- und Submikrometerbereich mit mindestens einer Beleuchtungsquelle, einer Meßkammer, wenigstens einem Fotodetektor, einer Optik sowie Mitteln zur Messung und Analyse des elektrischen Signals des wenigstens einen Fotodetektors, gekennzeichnet dadurch, daß in der Meßebene in Höhe der Meßkammer (6) die Größe der Meßzone im Querschnitt des Beleuchtungsstrahls, die von der Optik des wenigstens einen Fotodetektors (8 oder/und 9) auf den Sensor abgebildet wird, und/oder der Querschnitt des Beleuchtungsstrahls im wesentlichen der maximalen Partikelgröße entspricht und das elektrische Signal des wenigstens einen Fotodetektors an einem Speicher (11) anliegt.1. Photometer for measuring and analyzing particles in the micro and submicrometer range with at least one illumination source, a measuring chamber, at least one photodetector, optics and means for measuring and analyzing the electrical signal of the at least one photodetector, characterized in that in the measuring plane in Height of the measuring chamber (6) is the size of the measuring zone in the cross section of the illuminating beam, which is imaged on the sensor by the optics of the at least one photodetector (8 or / and 9) and / or the cross section of the illuminating beam essentially corresponds to the maximum particle size and the electrical signal of the at least one photodetector is applied to a memory (11).
2. Fotometer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal des Fotodetektors (8/9) am Eingang eines mit hoher Frequenz zeitgetakteten Speichers (11) anliegt.2. Photometer according to claim 1, characterized in that the electrical signal of the photodetector (8/9) is present at the input of a memory (11) clocked at a high frequency.
3. Fotometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die Taktzeit des Speichers (11) kleiner als die mittleren Verweildauer der Partikel in der Meßzone ist.3. Photometer according to claim 1, characterized in that the cycle time of the memory (11) is less than the average residence time of the particles in the measuring zone.
4. Fotometer nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Taktzeit des Speichers (11) in der Größenordnung von etwa 1/10 der mittleren Verweildauer der Partikel in der Meßzone liegt.4. Photometer according to claim 2, characterized in that the cycle time of the memory (11) is of the order of about 1/10 of the average residence time of the particles in the measuring zone.
5. Fotometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die Größe der Meßzone einstellbar ist.5. Photometer according to claim 1, characterized in that the size of the measuring zone is adjustable.
6. Fotometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenz des zeitgetakteten Speichers (11) einstellbar ist.6. Photometer according to claim 1, characterized in that the frequency of the time-clocked memory (11) is adjustable.
7. Fotometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die Leistung der Lichtquelle (1) einstellbar ist.7. Photometer according to claim 1, characterized in that the power of the light source (1) is adjustable.
8. Fotometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß als Lichtquelle (1) eine Laserdiode vorgesehen ist.8. Photometer according to claim 1, characterized in that a laser diode is provided as the light source (1).
9. Fotometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der zeitgetaktete Speicher (11) ein digitales Speicheroszilloskop ist.9. Photometer according to claim 1, characterized in that the time-clocked memory (11) is a digital storage oscilloscope.
10. Fotometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß der zeitgetaktete Speicher (11) an eine Rechen- und Steuereinheit (12), wie insbesondere einen Computer, angeschlossen ist. 10. Photometer according to claim 1, characterized in that the time-clocked memory (11) to a computing and control unit (12), such as in particular a computer, is connected.
11. Fotometer nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß der zeitgetaktete Speicher (11) während einer Messung in Intervallen an die Rechen- und Steuereinheit (12) zugeschaltet und nach jeder Intervallanalyse auf Null zurückgesetzt ist.11. Photometer according to claim 9, characterized in that the time-clocked memory (11) is switched on during a measurement at intervals to the computing and control unit (12) and is reset to zero after each interval analysis.
12. Fotometer nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß in der Rechen- und Steuereinheit (12) sowohl Programme zur Ermittlung der Mittelwerte als auch der Standardabweichungen der gespeicherten Detektorsignale vorgesehen sind.12. Photometer according to claim 9, characterized in that in the computing and control unit (12) both programs for determining the mean values and the standard deviations of the stored detector signals are provided.
13. Fotometer nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß in der Rechen- und Steuereinheit (12) Impulsmuster zur vergleichenden Analyse gespeichert sind.13. Photometer according to claim 9, characterized in that pulse patterns for comparative analysis are stored in the computing and control unit (12).
14. Fotometer nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß in der Rechen- und Steuereinheit (12) aus den Breiten gespeicherter Impulse bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit einzelne Partikelgrößen berechnet werden.14. Photometer according to claim 9, characterized in that in the computing and control unit (12) individual particle sizes are calculated from the widths of stored pulses at a known flow rate.
15. Fotometer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Beleuchtungsstrahls in einem Verhältnis von einem Zehntel bis zum Zehnfachen der maximalen Partikelgröße entspricht.15. Photometer according to claim 1, characterized in that the cross section of the illuminating beam corresponds in a ratio of one tenth to ten times the maximum particle size.
16. Verfahren zur Messung und Analyse von Partikeln mit einem Fotometer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, dass in der Meßebene in Höhe der Meßkammer Partikelsignale vom Fotodetektor aufgenommen, zu einem Speicher weitergeleitet und dann integral, statistisch und/oder stochastisch ausgewertet werden.16. A method for measuring and analyzing particles with a photometer according to at least one of claims 1 to 15, characterized in that in the measuring plane at the level of the measuring chamber, particle signals are picked up by the photodetector, forwarded to a memory and then integrally, statistically and / or stochastically be evaluated.
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, dass die in einer Meßzone gebildeten Partikelsignale sowohl in ihrer zeitliche Abfolge integral als auch statistisch hinsichtlich der Schwankungen dieser Abfolge sowie mit Such- und Vergleichsoperationen bezüglich stochastisch auftretender einzelner Partikelimpulse analysiert werden, wobei die Korrelation der drei parallelen Auswertevarianten durch die identische Meßzone der Signalbildung gewährleistet wird.17. The method according to claim 16, characterized in that the particle signals formed in a measuring zone are analyzed both in their temporal sequence integrally and statistically with regard to the fluctuations of this sequence and with search and comparison operations with regard to stochastically occurring individual particle pulses, the correlation of the three parallel evaluation variants is guaranteed by the identical measuring zone of the signal formation.
18. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, dass drei verschiedene Auswertemethoden (integrale, statistische, stochastische Analyse) auf die selben Primärdaten zugreifen und damit das Ergebnis einer simultanen Messung dieser drei Parameter entspricht.18. The method according to claim 16, characterized in that three different evaluation methods (integral, statistical, stochastic analysis) access the same primary data and thus the result corresponds to a simultaneous measurement of these three parameters.
19. Fotometer nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Auswertung aller drei Parameter in Echtzeit (online-Messung) erfolgt. 19. Photometer according to claim 9, characterized in that the evaluation of all three parameters takes place in real time (online measurement).
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