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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mehrphasigen Flüssigkeitsströmung sowie einen Kavitationskanal, aufweisend eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer Flüssigkeitsströmung
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Die Bestimmung von Partikelgrößen- und Partikelkonzentrationsspektren in Strömungen ist bei einer Vielzahl von Anwendungen von Interesse. Partikel sind Inhomogenitäten, die lokal die Stoffeigenschaften ändern.
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Speziell in Flüssigkeitsströmungen existieren meist zwei Arten von Partikel. Zum einen sind Feststoffpartikel, z.B. Staub, Schmutzpartikel, Abrieb, Ruß, organische Rückstände etc. vorhanden. Diese haben meist eine undefinierte Form und sind oft auch inhomogen. Zum anderen sind Flüssigkeitstropfen oder Blasen vorhanden, die im Folgenden auch als Keime bezeichnet werden sollen. Beispiele hierfür sind Wassertropfen in Öl, Öltropfen in Wasser oder auch Luftblasen in Wasser oder Öl. Diese besitzen meist eine glatte Oberfläche sind homogen und bei hinreichend kleiner Größe sphärisch oder nahezu sphärisch. Die Charakterisierung und Konzentrationsbestimmung letzterer Partikel (Keime) bei zusätzlicher Anwesenheit von inhomogenen/nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) in Flüssigkeitsströmungen ist für eine Reihe von Prozessen notwendig und soll an drei beispielhaften Prozessen verdeutlicht werden.
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Für die Prognose der Kavitation an Schiffspropellern, Rudern oder in Pumpen werden Kavitationsversuche durchgeführt, bei denen das Auftreten und die Art der Kavitation in Abhängigkeit von den eingestellten Parametern wie Druck, Temperatur, Sauerstoffsättigung, Strömungsgeschwindigkeit untersucht werden. Ein weiterer Parameter ist die Keimkonzentration in der Zuströmung. Diese hat ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf den Beginn, die Art, die Ausdehnung und die Hysterese der Kavitation. Beispielsweise werden Blasen aus der Zuströmung in einem Unterdruckgebiet aufgeweitet und Kavitation entsteht. Feststoffpartikel oder auch sehr kleine Blasen (<10µm) dagegen wirken nach der gängigen Definition nicht als Keime. Zur Definition des Arbeitspunktes der Kavitationskanäle wäre demnach eine Messtechnik von Vorteil, welche die Partikel detektiert und hinsichtlich Feststoffpartikel oder Blasen klassifiziert. Zusätzlich dazu sollte eine Größenbestimmung sowie eine Konzentrations- bzw. Flussbestimmung der Keime erfolgen, da der Einfluss auf die Kavitation abhängig vom Größenspektrum und von der Konzentration ist. Aufgrund des Strömungsumlaufs im Kavitationskanal wirken die am zu untersuchende Objekt erzeugten Kavitationsblasen zum Teil nach einem Umlauf wieder als Keime. Bei Änderung der Betriebsparameter benötigt der Tunnel demnach eine gewisse Zeit um einen stabilen Zustand zu erreichen. Des Weiteren kann ein Unterschied in der Keimkonzentration entstehen, wenn der Arbeitspunkt über verschiedene Betriebsparameter, wie Strömungsgeschwindigkeit oder Druck angefahren wird. Dies entspricht einer Hysterese. Um das Erreichen des Arbeitspunktes quantifizieren zu können ist eine kontinuierliche zeitaufgelöste Messung wünschenswert, die möglichst in Echtzeit Konzentrationen und Spektren der Keime liefert. Dieses Vorgehen kann auch auf die Keimkonzentrationsbestimmung in größerem Maßstab, z.B. im Nachstrom eines Schiffes, erweitert werden. Auch hier haben die Blasen Einfluss auf die Kavitation am Propeller und am Ruder des Schiffes.
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Als zweiter beispielhafter Prozess aus dem Stand der Technik sei der Gausaustauch zwischen einer fluiden Phase und eine dispersen gasförmigen Phase, z.B. Blasen im Meer, Blasen in chemischen Reaktoren wie Blasensäulen, genannt. Um solche Prozesse zu überwachen oder zu regeln muss sowohl die Konzentration der Blasen (Keime) als auch deren Größenspektrum bekannt sein. Oft sind zusätzlich zu den Blasen noch weitere Verunreinigungen bzw. Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden, die die Konzentrationsbestimmung der Keime stören.
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Als dritter beispielhafter Prozess aus dem Stand der Technik soll die Ölkonzentrationsbestimmung in Wasser angegeben werden. Bei der Einleitung von Schmutzwasser in Gewässer oder Kläranlagen darf häufig eine definierte Ölkonzentration nicht überschritten werden (z.B. Abpumpen von Bilgewasser, Einleiten von Prozessflüssigkeiten aus der chemischen Industrie). Da das Öl tropfenförmig im Wasser vorhanden ist kann die Gesamtölkonzentration über Größen- und Konzentrationsbestimmung der Tropfen erfasst werden. In den meisten Prozessen sind jedoch zusätzlich auch sehr viele Feststoffpartikel und Blasen in der Strömung vorhanden. Diese verhindern eine verlässliche in situ Bestimmung der Ölkonzentration. Daher werden im allgemeinen Proben genommen und diese ex situ mit großer Zeitverzögerung in Laboren analysiert.
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Derzeit verfügbare berührungslose optische in-situ Partikelmesstechniken sind prinzipiell in der Lage, die Keimkonzentration in Strömungen zu bestimmen. Allerdings sind der apparative Aufwand und damit die Kosten der Messsysteme meistens sehr hoch. Hinzu kommt, dass bei den meisten Messsystemen, gerade bei abbildenden Messtechniken, die Signal- und Bildverarbeitung sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Echtzeitfähige Systeme, wie z.B. die punktuell messende Phasen-Doppler Technik, besitzen andererseits meist eine geringe Datenrate, da das Detektionsvolumen sehr klein ist. Weiterhin liefert eine einfache Detektion und Größenbestimmung der Keime in der Regel einen fehlerbehafteten Konzentrationswert. In allen optischen Messsystemen ist die Detektionswahrscheinlichkeit der Partikel abhängig von deren Größe. Werden z.B. kleine Partikel aufgrund einer geringeren Streuung und eines damit kleineren Detektionsvolumens seltener detektiert als große, ist die Häufigkeitsverteilung der Ereignisse mit einem systematischen Fehler beaufschlagt, bekannt auch als Randzonenfehler. Die Korrektur zur Rekonstruktion der des „wahren“ Partikelgrößenspektrums muss messsystemspezifisch erfolgen, da sich die Detektionsvolumina der Verfahren stark unterscheiden.
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Im Folgenden sollen derzeit verfügbare optische Messtechniken mit dem Potential der Größen- und Konzentrationsbestimmung kurz aufgelistet werden und die Nachteile hinsichtlich der Keimkonzentrationsbestimmung angegeben werden:
Phasendopplerverfahren (PD): Bei der Phasen Doppler Messtechnik werden Einzelpartikel in einem kleinen Messvolumen von zwei Laserstrahlen beleuchtet. Die Phasendifferenz zwischen zwei örtlich separierten Streulichtempfängern ist ein Maß für die Partikelgröße unter der Voraussetzung homogener sphärischer Einzelpartikel. Durch weitere Detektoren kann der Messbereich erweitert werden und es können nichtsphärische/inhomogene Partikel detektiert werden. Nachteile dieser Technik sind ein hoher Justageaufwand, ein kleines Messvolumen, eine geringe Datenrate, ein hoher apparativer Aufwand und hohe Kosten.
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Zeitverschiebungsmesstechnik (ZVM): Die Partikelgröße wird durch die Messung der Zeitverschiebung der Streulichtsignale ermittelt. Gegenüber der häufig eingesetzten und technisch ähnlichen Phasen-Doppler-Anemometrie bietet die Zeitverschiebungsmesstechnik unter anderem die Vorteile eines flexibleren optischen Zugangs und die Möglichkeit, Blasen und Feststoffpartikel zu unterscheiden. Nachteile dieser Technik sind ein hoher Justageaufwand, ein geringes Messvolumen, eine geringe Datenrate. Derzeit ist keine größenabhängige Detektionsvolumenkorrektur bekannt und ein hoher apparativer Aufwand muss betrieben werden.
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Schattenabbildung (Shadow): Die Technik basiert auf einer Hintergrundbeleuchtung und einem bildgebenden Aufnahmeverfahren. Aufgenommen werden kann unabhängig von Form und Material des Teilchens. Das Messvolumen ist durch die Tiefenschärfe und die Brennweite des bildgebenden Systems definiert. Nachteile dieser Technik sind eine relativ ungenaue Messung abhängig vom Justageaufwand und eine direkte Intensitätsabhängigkeit der Messergebnisse von der Lichtquelle und der Belichtungszeit des Detektors. Das Verfahren ist aufgrund des hohen Aufwandes der Bildverarbeitung in dem hier präferierten Rahmen der Anwendungen nicht echtzeitfähig, bietet keine Messvolumenkorrektur und bietet auch keine Unterscheidung zwischen Feststoffpartikeln und Blasen.
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Interferometric Particle Imaging (IPI): In G. König et al 1986 wurde ein Laserstrahl auf eine monodisperse Tropfenkette fokussiert. Mittels einer defokussierten Kamera wurde ein Teil der Streufunktion auf dem CCD-Sensor abgebildet und aus der Anzahl bzw. der örtlichen Frequenz der Streukeulen die Partikelgröße bestimmt. Bei geringerer Defokussierung kann die über die Apertur der Empfangsoptik vorhandene Intensitätsverteilung der Streufunktion in einem lokalen Bereich auf dem Sensor abgebildet werden. Damit wird es möglich, mehrere Partikel gleichzeitig auf dem Sensor abzubilden. Die Technik wurde auf die zweidimensionale Bestimmung der Partikelgröße homogener sphärischer Partikel erweitert und auch mit der Particle Image Velocimetry zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit kombinbiert. Die derzeit verfügbaren Varianten der Technik sind unter den Bezeichnungen Interferometric Particle Imaging (IPI) (z.B. Damaschke et al.) oder ILIDS (z.B. Maeda et al. 2002) zu finden. Nachteile der derzeit verfügbaren IPI Techniken sind relativ hohe Kosten aufgrund von Pulslaserbeleuchtung und Lichtschnittgenerierung, eine sehr stark eingeschränkte Echtzeitfähigkeit, da eine umfangreiche Bildverarbeitung zur Detektion und Analyse der defokussierten Partikel notwendig ist, sowie keine Unterscheidung von Keimen und Feststoffpartikeln.
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Streulichtverfahren/Beugungsmesstechnik (Diff): Im Gegensatz zu den genannten Zählverfahren sind der Hardwareaufwand, die Kosten, die Echtzeitfähigkeit und der Justageaufwand der Beugungsmesstechnik geringer. Bei der Beugungsmesstechnik wird ein Laserstrahl in den Messbereich eingekoppelt und das Streulicht mit einem segmentierten Detektor meist in Vorwärtsrichtung empfangen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass sich sehr viele Partikel innerhalb des Messvolumens befinden und aus der Überlagerung aller Streufunktionen der Partikel auf die Größenverteilung geschlossen werden kann. Es können damit jedoch lediglich statistische Aussagen über die Größenverteilung gemacht werden da keine Einzelpartikel charakterisiert werden und das Verfahren nicht zu den Zählverfahren zu rechnen ist. Damit können Größenspektren und Konzentrationen nicht anhand der Einzelpartikel geschätzt werden. Weiterhin ist das Verfahren nicht sensitiv gegenüber der Unterscheidung von Keimen und Feststoffpartikeln.
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Die Aufgabenstellung der Erfindung ist, möglichst viele der oben erläuterten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
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Eine Aufgabe der Erfindung war die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bestimmung des freien Gasgehalts bei Kavitationsprozessen. Die Wasserqualität, speziell der freie Gasgehalt hat einen entscheidenden Einfluss auf die Kavitation. Das Verfahren sollte eine Messung von Keimspektren und Keimkonzentrationen ermöglichen. Dabei sollten möglichst viele der nachfolgenden Randbedingungen für eine prozessnahe Messung erfüllt werden: in-situ Messung, Zählverfahren, ein geringer Installationsaufwand, geringe Hardwarekosten, ein geringer Justageaufwand, Langzeitstabilität, eine kontinuierliche Messung (im Idealfall in Echtzeit), eine Unterscheidung von Keimen und Feststoffpartikeln sowie eine verlässliche und stabile Detektionsvolumenkorrektur.
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Die oben genannten Aufgaben werden durch das in Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst oder durch vorteilhafte Ausgestaltungen, die in den Unteransprüchen angegeben sind.
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Angegeben wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mit Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln und weiterhin mit Feststoffpartikeln beladenen mehrphasigen strömenden Flüssigkeit, umfassend die folgenden Schritte:
- – Einstrahlung eines Laserstrahls in die Flüssigkeit,
- – Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder homogenen sphärischen Gaspartikeln sowie von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln, wobei Partikel beleuchtet werden, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind,
- – Auffangen von Streulicht der beleuchteten Partikel unter einem Streuwinkel oder mehreren Streuwinkeln mit einer oder mehreren optischen Einrichtungen,
- – defokussierte Abbildung von Ausschnitten der Streufunktion der Partikel auf einem oder mehreren Detektoren, sodass für Partikel Streulichtinformationen erhalten werden,
- – kontinuierliche Verarbeitung der Streulichtinformationen mit einer Verarbeitungseinrichtung und Unterscheidung von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln von homogenen sphärischen Partikeln,
- – Bestimmung der Größen der homogenen sphärischen Partikeln aus Interferenzmustern,
- – Bestimmung von Größenspektren und/oder der Konzentration der homogenen sphärischen Partikel unter Beachtung von größenabhängigen Detektionsvolumina.
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Das Verfahren ist ein Verfahren zur berührungslosen, in-situ Bestimmung der Keimkonzentration, das aufgrund der optischen Konfiguration und der damit zusammenhängenden Signalaufnahme und Verarbeitung wesentliche Vorteile gegenüber anderen optischen Verfahren zur Partikelcharakterisierung hat.
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Mit dem Verfahren wird ein berührungsloses, prozessnahes, echtzeitfähiges und kostengünstiges Messverfahren zu Verfügung gestellt. Das Verfahren nutzt in seiner grundlegenden Ausführungsform einen sehr einfachen optischen Aufbau, der nur aus einem Laserstrahl und einer Abbildungsoptik besteht. Im Vergleich zu anderen Verfahren (Phasen Doppler Technik, IPI, Zeitverschiebungstechnik) kann es mit geringen Anschaffungs- und Betriebskostenkosten realisiert werden. Der einfache optische Aufbau bedingt im Vergleich zu anderen Verfahren auch eine einfache Installation, Justage, Handhabung, Anpassung und Wartung sowie einen mechanisch und optisch robusten Aufbau.
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Gleichzeitig reduziert sich der Aufwand für die Auswertung gegenüber anderen abbildenden Messtechniken (IPI, Schattenabbildung), da vergleichsweise wenige Partikel pro Abbildung detektiert werden und diese kaum überlappen. Da jedoch das Messvolumen gegenüber Punktmesstechniken (PDA) größer ist, ist die Datenrate höher. Bei höheren Framerate sind kontinuierliche Messungen möglich die Echtzeitanforderungen für die genannten Anwendungen erfüllen. Die Frameraten können in speziellen Ausführungsformen durch Verwendung von Zeilenkameras und FPGAs bis in den oberen kHz-Bereich erhöht werden.
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Mit dem Verfahren können Partikelgrößen und/oder -Konzentration hoch zeitaufgelöst in einer bewegten, strömenden Flüssigkeit, auch bezeichnet als „Mehrphasenströmung“, dargestellt werden. Sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt, bezeichnet der Begriff „Partikel“ Flüssigkeitspartikel (Flüssigkeitstropfen), Gaspartikel (Gasblasen) und inhomogene und/oder nichtsphärische Feststoffpartikel. Sofern „inhomogene und/oder nichtsphärische Partikel“ genannt sind, so werden diese auch als Feststoffpartikel bezeichnet, insbesondere da Feststoffpartikel im Allgemeinen nichtsphärisch sind. Homogene sphärische Flüssigkeitstropfen oder Gasblasen werden im Folgenden, insbesondere in Bezug auf Kavitation, auch als „Keime“ bezeichnet. Der Begriff „sphärisch“ umfasst sowohl exakt sphärische als auch annähernd sphärische Gas- oder Flüssigkeitspartikel bzw. Keime.
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In einer nachfolgend noch beschriebenen speziellen Ausführungsform können mit dem Verfahren Gasblasen und/oder Flüssigkeitstropfen einerseits und andererseits inhomogene/nichtsphärische Feststoffpartikel in einer Strömung unterschieden werden. Somit können mit dem Verfahren auch Keimkonzentrationen und Keimspektren in blasenbeladenen und/oder tropfenbeladenen Flüssigkeitsströmungen bestimmt werden, die zusätzlich inhomogene/nichtsphärische Feststoffpartikel enthalten.
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Es können mit dem Verfahren Keimspektren und Keimkonzentrationen in Flüssigkeiten, zur Bestimmung des freien Gasgehaltes des Wassers in Kavitationstunneln oder anderen Blasenströmungen ermittelt werden. Es ist dies auch möglich, wenn zusätzlich in der Strömung Feststoffpartikel vorhanden sind.
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Die einfache Geometrie des Detektionsvolumens im Vergleich zu anderen Verfahren begünstigt die Korrektur zur Schätzung von Durchmesserspektren und Konzentrationen.
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Weiterhin erlaubt das Messverfahren erstmals eine kontinuierliche, echtzeitfähige, robuste und kostengünstige Messung der Blasen-, Öltropfen- und Feststoffpartikelkonzentration in Flüssigkeitsströmungen.
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Weitere Vorteile des Verfahrens sind auch in der nachfolgenden detaillierten Erläuterung an passender Stelle angegeben.
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Der Begriff „mehrphasige strömende Flüssigkeit“ bezeichnet ein flüssiges Gemisch aus mehreren Phasen. Wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit Flüssigkeitspartikel enthält, bzw. damit beladen ist, so sind innerhalb einer zu einem überwiegenden Volumenanteil vorhandenen ersten Flüssigkeit Partikel (in diesem Fall Tropfen oder Tröpfchen) aus einer zweiten Flüssigkeit verteilt, wobei die erste und die zweite Flüssigkeit nicht mischbar sind. Ein Beispiel ist ein Gemisch aus Öltröpfchen in Wasser. Wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit Gaspartikel enthält, so sind darunter Gasblasen oder Gasbläschen zu verstehen, die innerhalb einer zu einem überwiegenden Volumenanteil vorhandenen ersten Flüssigkeit verteilt sind.
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Grundlage des Verfahrens ist die oben bereits erwähnte Interferometrische Partikel Abbildungs-Messtechnik, abgekürzt als IPI (Interferometric Particle Imaging), die auf G. König, K. et al. zurückgeht. Die IPI Technik basiert auf Glanzpunkten von Laser-bestrahlten homogenen sphärischen oder annähernd sphärischen Partikeln. Ein In-Fokus Bild besteht aus mindestens zwei Glanzpunkten (Reflexion und Brechung erster Ordnung). Wenn der Grad der Defokussierung erhöht wird und die räumliche Auflösung des optischen Systems verringert wird, dann verschmelzen die beiden Glanzpunkte in ein einzelnes defokussiertes Bild mit Interferenzlinien. Bei sphärischen Partikeln, wie Flüssigkeitspartikeln und Gaspartikeln, werden somit Streulichtinformationen in Form eines Interferenzmusters erhalten. Die Anzahl Interferenzstreifen ist eine Funktion des Partikeldurchmessers, des Streuwinkels, des Aperturwinkels, der Wellenlänge der Lichtquelle und des relativen Brechungsindex der Medien, sodass bei Kenntnis aller weiteren Parameter aus dem Interferenzmuster, insbesondere der Anzahl Interferenzstreifen, die Partikelgröße ermittelt werden kann. Bei zusätzlicher Abhängigkeit der Interferenzstruktur vom Brechungsindex kann auch zwischen Flüssigkeitspartikeln und Gasblasen unterschieden werden. Die IPI-Technik ist in Grundlagen erläutert in Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336–350. Mathematische Hintergründe der IPI Technik sind erläutert in Albrecht et al. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer Verlag.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein kohärenter Laserstrahl in das Messvolumen, auch bezeichnet als“ Messbereich“, der Flüssigkeit eingestrahlt. Dadurch erfolgt eine Beleuchtung von homogenen sphärischen Flüssigkeitspartikeln und/oder homogenen sphärischen Gaspartikeln sowie von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Feststoffpartikeln in dem Messvolumen, wobei Partikel beleuchtet werden, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind. Dies hat eine Reihe von nachfolgend genannten Vorteilen.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Partikel entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beleuchtet. Gegenüber den üblichen IPI-Verfahren wird jedoch kein Laserlichtschnitt (light sheet) zur Beleuchtung einer größeren Ebene/Fläche oder eines größeren Volumens generiert. Mit einem eng lokalisierten Laserstrahl wird nur ein Teil der strömenden Flüssigkeit linienhaft beleuchtet. Der Laserstrahl weist einen geringen Querschnitt im Vergleich zu einer gedachten Schnittfläche durch die Strömung auf. Es wird nur auf einen Teil einer gedachten Schnittfläche durch die Strömung lokal eingestrahlt, wobei sich der Laserstrahl durch die Strömung hindurch ausbreitet, und wobei die Ausbreitungsrichtung beliebig zur Strömungsrichtung orientiert sein kann. Weiterhin werden vergleichsweise nur wenige Partikel entlang des Laserstrahls beleuchtet und im Vergleich zu zweidimensionalen Messtechniken kann die Anzahl der beleuchteten Partikel erheblich reduziert werden. Dies schlägt sich direkt in einer stark reduzierten Überlappung der Partikelabbildungen nieder, was wiederum höhere Partikelkonzentrationen erlaubt und eine vereinfachte Auswertung bedingt. Durch die vereinfachte Auswertung kann eine hohe Zeitauflösung erzielt werden.
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Nachfolgend wird das Verfahren in seinen einzelnen Aspekten beschrieben:
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Beleuchtungsquelle/Sender:
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Die Beleuchtung kann eine Dauerstrichbeleuchtung sein. Die Wellenlänge hängt dabei von der Verfügbarkeit von Arraydetektoren für die entsprechend genutzte Wellenlänge ab und geht im Allgemeinen vom Infrarot- bis und den UV-Bereich. Die Begriffe „Licht“ und „Beleuchtung“ umfassen somit in dieser Erfindung auch den IR- und UV-Bereich. Als Lichtquelle können beispielsweise kostengünstige Dauerstrichlaser verwendet werden, da die Streulichtintensität aufgrund der starken Fokussierung auch bei kurzen Belichtungszeiten des Sensors ausreichend ist. Die Dauerstrichlaser ermöglichen ebenfalls hohe Bildwiederholraten (> 1kHz), die nur von spezifischen Pulslasern realisiert werden können. Alternativ kann zum Beispiel eine Pulsbeleuchtung mittels auch Pulslaser eingesetzt werden.
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Durch die Nutzung eines einfachen symmetrischen Strahlprofils kann die Optik zur Laserstrahlanpassung sehr einfach gestaltet werden oder sogar entfallen. Dies reduziert den Justageaufwand, den apparativen Aufwand und Hardwarekosten erheblich. Der Laser wird im Idealfall direkt in den Messbereich eingestrahlt, was im Hinblick auf die oben diskutierten Messtechniken dem einfachsten Aufbau entspricht.
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Da die Intensitätsverteilung eines mono-modigen Laserstrahls sehr gut mittels einer Gaußverteilung beschrieben werden kann, ist die Bestimmung des Detektionsvolumens zur Korrektur der Durchmesserspektren sehr verlässlich.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Laserstrahlen in verschiedene Messvolumina der Flüssigkeit eingestrahlt. Es handelt sich dabei vorzugsweise um zwei oder mehr Laserstrahlen gleicher Wellenlänge aber unterschiedlicher Position und/oder Ausbreitungsrichtung. Vorzugsweise wird der Abstand der Laserstrahlen voneinander so gewählt, dass sich defokussierte Abbildungen von unterschiedlichen Strahlen nicht oder kaum überlappen, wodurch die bereits genannten Vorteile des Verfahren erhalten bleiben. Mit dieser Ausführungsform werden die Anzahl der abgebildeten Partikel und damit die Datenrate erhöht.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden zwei oder mehr überlagerte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge eingestrahlt. Der Begriff „überlagert“ bedeutet, dass die zwei oder mehr Laserstrahlen eine unterschiedliche Wellenlänge aber eine gleiche Ausbreitung haben. Eine örtliche Überlagerung ist dabei nicht zwingend notwendig, aber vorteilhaft da die gleichen Partikel beleuchtet werden. Werden statt monochromatischem Laserlicht, zwei oder mehr überlagerte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet, wird für jede Laserwellenlänge jeweils eine Streulichtverteilung von denselben Partikeln generiert, die auf der Empfangsseite mittels optischer Farbfilter, mittels Zeitmultiplex oder mittels Frequenzanalyse des Bildes getrennt werden können. Als Beispiel sei hier angegeben, dass eine RGB Kamera gleichzeitig drei Streufunktionen für drei Wellenlängen separat erfassen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl, oder mehrere Laserstrahlen (sofern mehrere Laserstrahlen verwendet werden) an die Messaufgabe bzw. die Partikelkonzentration angepasst aufgeweitet. Dies kann zum Beispiel eine symmetrische Aufweitung des Strahls zur Vergrößerung des Strahldurchmessers sein, was mit einer Optik nach dem Laser erfolgt. Auch unsymmetrische Strahlaufweitungen sind möglich. Hier ist darauf zu achten, dass nicht wie bei der Laserlichtschnittebeleuchtung, mehrere Partikel in Aufweitungsrichtung beleuchtet werden, da dadurch die vorteilhaften Eigenschaften der reduzierten Partikelanzahl und reduzierten Überlappung der defokussierten Abbildungen verlorengeht.
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In noch einer weiteren Ausführungsform entstammen der Laserstrahl, oder mehrere verwendete Laserstrahlen, aus einer Vorrichtung, welche in einem anderen, laserbasierten Messverfahren einsetzbar ist. Insbesondere entstammen der Laserlichtstrahl, oder mehrere verwendete Laserstrahlen, aus einem anderen, parallel verwendeten Messverfahren. In dieser Ausführungsform wird die Streuung von Laserstrahlen anderer Messtechniken auch für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt. Wird beispielsweise die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung mittels Laser-Doppler-Technik bestimmt, werden hierfür mindestens zwei sich kreuzende Laserstrahlen in den Messbereich fokussiert, die außer für die Geschwindigkeitsmessung auch im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Partikelgrößen und -Konzentrationen genutzt werden. Damit kann der Hardwareaufwand noch weiter reduziert werden. In einer speziellen Variante wird als das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Laser-Doppler-Verfahren kombiniert.
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Detektor
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Die unter einem spezifischen Streulichtwinkel positionierte Empfangsoptik bildet die Streuung mittels einer Optik defokussiert auf einen mehrdimensionalen Detektor ab.
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Der spezifische Streulichtwinkel der Detektoren wird in Abhängigkeit vom relativen Brechungsindex m zwischen Flüssigkeit und Keimen (homogene und sphärische Partikel) gewählt. Eine monotone Beziehung zwischen Interferenzstreifenanzahl (Anzahl der Streulichtkeulen) bzw. örtlicher Streifenfrequenz und Keimdurchmesser ist nur für zwei dominante Glanzpunkte gegeben. Diese können entweder für einen Laserstrahl durch zwei Streulichtordnungen, z.B. Brechung und Reflexion, oder durch zwei Laserstrahlen und eine dominante Streulichtordnung generiert werden. Sind mehr als zwei Glanzpunkte am Entstehen der aufgenommenen Streufunktion beteiligt, entstehen zusätzlich redundante Frequenzen in der Abbildung. Soweit diese über eine entsprechende Signalverarbeitung quantifiziert werden können, können die zusätzlichen Frequenzen zur Validierung, Stoffunterscheidung oder Messbereichserweiterung genutzt werden. In Albrecht et al 2003 und Damaschke et al. 2005 finden sich eine ausführliche Diskussion und Auslegungsrichtlinien für die Positionierung des Detektors in Abhängigkeit von den gewünschten Interferenzstrukturen So beträgt der Streulichtwinkel, der Winkel zwischen eingestrahltem Licht und gestreutem Licht, beispielsweise für Luftblasen in Wasser, vorzugsweise etwa 80 bis etwa 120°, da hier nur zwei Streulichtordnungen dominieren, mehr bevorzugt 80° bis 90°, da in diesem Bereich auch die Streulichtintensität größer ist als im Bereich 90° bis 120°
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Der Grad der Defokussierung wird vorzugsweise so gewählt, dass die Partikelabbildungen nicht zu stark für die Auswertung überlappen aber auch nicht zu klein für die Analyse der Streufunktionen sind und dass das Signal für die folgende Signalverarbeitung ausreichend intensiv ist. Astigmatische Linsen können in der Optik zur besseren Lokalisierung und Helligkeits- und Kontrastverbesserung der defokussierten Abbildung eingesetzt werden.
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Zur Detektion wird gemäß einer Variante ein zweidimensionaler Detektor, z.B. ein Charge Coupled Device – CCD, ein Complementary Metal Oxide Semiconductor – CMOS, oder ein Smart-Pixel-Array, eingesetzt. Die defokussierten Abbildungen können aufgenommen und zur Weiterverarbeitung übertragen werden.
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Aufgrund der linienförmigen Beleuchtung mittels des Laserstrahls kann auch nur ein Ausschnitt des Sensors (Aktivierung einer ROI, region of interest) genutzt werden. Dies ermöglicht höhere Frameraten und damit höhere Datenraten, welche für eine kontinuierliche Prozessüberwachung notwendig sind.
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In einer weiteren Verfahrensvariante ist der Detektor ein eindimensionaler Detektor, beispielsweise eine CCD-Zeile, CMOS-Zeile, oder Photodiodenzeile. Damit wird nur ein eindimensionaler Teil der Streufunktion aufgenommen. Dies entspricht quasi nur einer Pixelzeile oder einem eindimensionalen Ausschnitt des zweidimensionalen Sensors. Vorzugsweise wird der eindimensionale Detektor senkrecht zu den Interferenzstreifen der homogenen sphärischen Partikel und damit parallel zur Laserstrahlausbreitung ausgerichtet, da so die Anzahl bzw. Frequenz der Interferenzstreifen für homogene sphärische Partikel bestimmt werden kann. Vorteil der Verwendung von 1D-Sensoren sind die höheren Frameraten und damit größere Partikeldichten.
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Als Erweiterung eines eindimensionalen Sensors ist der Einsatz zwei oder mehrerer paralleler Einzelsensoren möglich, die sowohl auf einem einzigen Chip integriert sein können als auch unabhängig voneinander aufgebaut sein können. Die Sensoren können einerseits auf verschiedene Laserstrahlen ausgerichtet sein. Andererseits können die Sensoren auch mittels optischer Filter sensitiv für unterschiedliche Wellenlängen oder Polarisationen und damit für unterschiedliche Streufunktionen ein und derselben Partikel sein. Hierfür werden, wie oben beschrieben, mehrere Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge oder Polarisation eingestrahlt, die den gleichen Strahlengang im Messbereich aufweisen. In diesem Fall werden Detektoren eingesetzt, welche die Wellenlängen separieren.
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Die winkelabhänge Beziehung zwischen Partikeldurchmesser und Streufunktion kann mit allgemein verfügbaren Programmen zur Berechnung der Mie-Streuung bestimmt werden.
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Signalaufnahme und Verarbeitung
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Die Daten der Detektoren werden vorzugsweise mittels einer Elektronik und/oder Software kontinuierlich ausgelesen und verarbeitet. Die Verarbeitung kann sowohl mittels eines Computers, eines digitalen Signalprozessors (DSPs), eines Mikrokontrollers oder eines FPGA erfolgen, im Folgenden zusammenfassend „Controller“ genannt. An den Controller werden die Bilddaten übermittelt, und der Bilddatenstrom kann direkt analysiert werden. Hieraus ergeben sich je nach Controller-Eigenschaften die Echtzeitvorteile des Systems.
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Da durch die Laserstrahlbeleuchtung die Partikelüberlappung reduziert wird und nur ein vergleichsweise kleiner Bildstreifen, bzw. nur eine Zeile im Falle von eindimensionalen Detektoren, ausgewertet werden muss, ist im Vergleich zu zweidimensionalen IPI-Messtechniken die Hardware und Software in der Lage, kontinuierlich und in Echtzeit die Daten zu verarbeiten. Bei zweidimensionalen IPI-Techniken liegt die Auswertezeit bei Nutzung von PCs für ein Einzelbild mit hundert Partikeln im Sekundenbereich, da eine umfangreiche Bildverarbeitung notwendig ist. Mit dem vorliegenden Verfahren können, in Abhängigkeit vom Sensor, Frameraten angefangen von einigen 10Hz (Standard CCD Arrays) bis in den mittleren kHz Bereich (CCD-Zeilen und FPGAs) kontinuierlich generiert und verarbeitet werden. Erst damit wird es möglich, ausreichend viele Partikel zu charakterisieren um mittels einer umfangreicheren Statistik die Keimkonzentration in kurzer Zeit verlässlich schätzen zu können.
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Das Messvolumen des Verfahrens entspricht andererseits dem gesamten beobachteten Teil des Laserstrahls. Wie bereits erwähnt, werden in dem Verfahren Partikel beleuchtet, die entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind. Im Vergleich zu Punktmesstechniken (z.B. Phasen-Doppler-Technik) ist dieses Messvolumen sehr groß, womit mehr Partikel pro Zeit analysiert werden können als bei Punktmesstechniken. Um die Datenrate an die Auswertung anzupassen kann die Anzahl der zu beobachtenden Partikel über die Auflösung der Kamera und/oder die Aufweitung des Laserstrahls sehr einfach eingestellt werden.
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Separation von Partikeln und Größenschätzung der Keime
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In dem Verfahren wird eine mehrphasige strömende Flüssigkeit vermessen, die zusätzlich zu den Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln (Keime) nicht-sphärische und/oder inhomogene Partikel (Feststoffpartikel) enthält, wobei die Flüssigkeitspartikel/Gaspartikel und die Feststoffpartikel unterschiedliche Streulichtinformationen erzeugen, und bei der Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration der Flüssigkeitspartikel/Gaspartikel die Feststoffpartikel unberücksichtigt bleiben.
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Das Verfahren kann Feststoffpartikel und Keime bei der Auswertung trennen. Andere Messtechniken können Feststoffe und Keime nur statistisch separieren. Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit einer quantitativen echtzeitfähigen Keimkonzentrationsmessung, beispielsweise in Kavitationskanälen oder zur Ölkonzentrationsmessung in öltropfenbeladenen Strömungen, zur Prozessüberwachung.
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Die Signalverarbeitung ist darauf eingerichtet, die Größe von homogenen und sphärischen Partikels (Keime) zu schätzen und zusätzlich auch nichtsphärische und/oder inhomogene Partikel (Feststoffpartikel) zu detektieren. Bei der Auswertung wird zwischen Flüssigkeitspartikeln/Gaspartikeln und Feststoffpartikeln unterschieden und es können getrennt von störenden Einflüssen durch Feststoffpartikel nur die erwünschten Messergebnisse für Flüssigkeitspartikel und Gaspartikel erhalten werden. Störende Signale von Feststoffpartikeln bleiben unberücksichtigt, können aber auch für eine Größenbestimmung der Feststoffpartikel genutzt werden, wie unten angegeben.
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Typischerweise ist bei einer Flüssigkeit, die zusätzlich zu den Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln auch Feststoffpartikel enthält, die Feststoffpartikelkonzentration wesentlich größer als die Keimkonzentration, beispielsweise in Kavitationskanälen oder bei verunreinigtem Wasser. Bei Auswertung aller Partikel würde das Keimspektrum der Blasen und Tropfen im Rauschen der Feststoffpartikelverteilung untergehen und nicht mehr detektierbar sein. Im Ergebnis würde die Keimkonzentrationsschätzung verfälscht.
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Vorteil des Verfahrens ist, dass dabei zwischen den Partikel-Klassen unterschieden werden kann und jedem einzelnen Partikel eine Klasse zugeordnet werden kann. D.h. es kann unterschieden werden, ob es sich um einen (annähernd) radialsymmetrischen, sphärischen Flüssigkeits- oder Gaspartikel, oder stattdessen um einen Feststoffpartikel handelt.
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Homogene sphärische Partikel generieren auf dem Detektor ein Interferenzstreifenmuster welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist (2a), da die signalwirksamen Glanzpunkte alle in der Streuebene liegen. Homogene sphärische Partikel können demnach anhand der einheitlichen Ausrichtung der Interferenzstreifen senkrecht zur Laserstrahlausbreitung klassifiziert werden.
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Liegen nur homogene sphärische Tropfen oder homogene sphärische Gasblasen vor wird typischerweise ein Streulichtwinkel gewählt, bei dem nur zwei Streulichtordnungen bzw. zwei Glanzpunkte bezüglich der Intensität dominieren. Damit ergibt sich ein periodisches Interferenzstreifensystem.
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Sind in einer Strömung sowohl Flüssigkeitstropfen als auch Gasblasen vorhanden und sollen diese durch das Verfahren unterschieden werden wird ein Streulichtwinkel ausgewählt für den sich die Streifen in den defokussierten Abbildungen für Tropfen und Blasen unterscheiden. Dies kann entweder bei einem Laserstrahl über weitere Glanzpunkte und damit weitere periodische Anteile im Interferenzstreifensystem erfolgen (siehe Damaschke et al. 2005) oder über den Vergleich der Streufunktionen verschiedener Laserstrahlen die sich hinsichtlich Wellenlänge oder Polarisation unterscheiden.
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Die Glanzpunkte von inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) sind dagegen willkürlich auf der Oberfläche verteilt oder der gesamte Partikel / die gesamte Partikeloberfläche streut das einfallende Licht diffus. Im ersteren Fall wird Streulichtinformation in Form eines schrägen Interferenzstreifensystems (2b), welches auch nichtperiodisch sein kann, erhalten. Im zweiten Fall wird Streulichtinformation in Form von Speckles (Flecken) erhalten (2c, 2d). Kleine Specklestrukturen (2c) werden dabei von vergleichsweise großen Partikeln und große Specklestrukturen von vergleichsweise kleinen Partikeln (2d) generiert. In einer speziellen Variante wird somit auch ein Verfahren angegeben, bei dem auch die Größe von Feststoffpartikeln anhand ihrer Streulichtinformationen bestimmt oder abgeschätzt wird.
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Die Signalverarbeitung analysiert die Struktur der Abbildungen. Bei dominanten, senkrecht zur Laserausbreitungsrichtung ausgerichteten, periodischen Strukturen wird anhand der Bildfrequenz bzw. der Streifenanzahl in der defokussierten Abbildung und der geometrischen Anordnung die Keimgröße geschätzt. Eine weitere Auswertung hinsichtlich mehrerer überlagerter Streifensysteme kann zur Unterscheidung von Blasen und Tropfen herangezogen werden
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Die Auswertung, Separation und Parameterschätzung kann im Originalbereich, im Bildfrequenzbereich, im Korrelationsbereich oder mittels mustererkennender Bildverarbeitungsverfahren/Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen. Im Falle von 1D Detektoren wird jeweils nur ein Schnitt durch die zweidimensionale Streufunktion analysiert.
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Im Originalbereich können typischerweise die Anzahl und Größen der Intensitätsmaxima bestimmt werden, deren Zahl ein Maß für die Partikelgröße ist. Die Streifenanzahl in den defokussierten Abbildungen ist proportional der Frequenz der Streifen. Demnach können die defokussierten Abbildungen auch hinsichtlich Ihrer Frequenz im Bildfrequenzbereich analysiert werden. Hierfür können spektrale Schätzverfahren, wie die Fourier-Transformation, die Hilbert-Transformation, Wavelets oder die Wigner-Wille Transformation eingesetzt werden. Eine Periodizitätsschätzung bzw. Streifenabstandsschätzung ist auch im Korrelationsbereich, z.B. über die Autokorrelation, möglich.
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Aus der Streifenanzahl, der Streifenfrequenz und/oder dem Streifenabstand bestimmt das Verfahren den Durchmesser der homogenen und sphärischen Blasen und/oder Flüssigkeitstropfen. Die Proportionalität oder der Zusammenhang kann mittels allgenmeine verfügbaren Streulichtprogrammen (siehe Albrecht et al. 2003) berechnet werden.
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Die Separation von homogenen sphärischen Partikeln von inhomogenen/nichtsphärischen erfolgt bei dem Verfahren anhand der defokussierten Abbildungen. Liegt keine senkrecht zur Laserstrahlausbreitung orientiert periodische Struktur vor, klassifiziert das Verfahren die Partikel als nichtsphärisch/inhomogen. Auch diese Auswertung kann im Originalbereich, im Bildfrequenzbereich und im Korrelationsbereich erfolgen. Für die Feststoffpartikel (2b, 2c, 2d) kann das Verfahren aus der minimalen Streifenfrequenz bzw. dem Abfall der Autokorrelationsfunktion das integrale Längenmaß und damit eine maximale Ausdehnung der Partikel bestimmen.
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Neben einfachen klassischen Signalverarbeitungsverfahren können auch Musterschätzverfahren und Verfahren zu Bildvor- und Bildbachbearbeitung zum Einsatz kommen. Es kann beispielsweise ein Algorithmus mit einem oder mehreren der folgenden Schritte angewandt werden:
- – Kontrasterhöhung, beispielsweise wie angegeben in Short et al, A Comparison of Photometric Normalisation Algorithms for Face Verification, Sixth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG'04)Seoul, Korea ISBN: 0-7695-2122-3
- – Hintergrundentfernung durch Morphologie
- – Morphologie zur Entfernung von Sinuslinien
- – Schwellenwertberechnung, beispielsweise durch Otsu‘s Algorithmus oder durch manuelle Eingabe des Schwellenwertes
- – Optionaler Wasserscheiden-Algorithmus zur Separierung überlappender Partikel
- – Canny-Kantenerkennung an dem binarisierten Bild
- – Objekt Detektion, z.B. mit Suzuki & Abe Algorithmus (S. Suzuki, K. Abe. (1985) "Topological structural analysis of digital binary image by border following" CVGIP 30(l): 32–46)
- – Filtern der erkannten Objekte nach vorgegebenen Parameter wie z.B. dem Flächeninhalt, dem Verhältnis von Länge zu Breite und der Länge des Umfanges um falsch erkannte Objekte zu detektieren und aus der Berechnung zu entfernen In der Signalverarbeitung werden vorzugsweise Häufigkeitshistogramme der analysierten Partikelgrößen generiert.
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Das Verfahren kann demnach Keime (homogene sphärische Blasen und Tropfen) und Feststoffpartikel (inhomogene/nichtsphärische Partikel) bei der Auswertung einzeln trennen. Andere Messtechniken können Feststoffe und Keime nur statistisch separieren. Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit einer quantitativen echtzeitfähigen Keimkonzentrationsmessung, beispielsweise in Kavitationskanälen, zur Prozessüberwachung.
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Größen- und Konzentrationsbestimmung
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Wie bereits erwähnt, werden mit dem Verfahren Größenspektren von Partikeln und/oder Konzentrationen ermittelt.
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Bei dem Verfahren werden die Größenspektrum und/oder die Konzentration der Keime durch Bestimmung eines größenabhängigen Detektionsvolumens bestimmt. Anders ausgedrückt, werden die Größenspektrum und/oder die Konzentration der Keime in Abhängigkeit des größenabhängigen Detektionsvolumens bestimmt. Insbesondere wird das größenabhängige Detektionsvolumen zur Gewichtung der Durchmesserverteilungen der Partikel herangezogen.
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Zur Bestimmung der Größenspektren und Konzentrationen aus den Histogrammen der Größenverteilungen werden vorzugsweise die folgenden Schritte durchgeführt:
- – anhand der Intensitätsverteilung des Lichts über den Querschnitt des Laserstrahls und der durchmesserabhängigen Intensität der Streufunktionen der homogenen sphärischen Partikel wird ein Modell eines vom Partikeldurchmesser abhängigen effektiven Detektionsvolumens ermittelt, wobei anhand der Bildintensität und den dazu bestimmten Durchmessern der Keime die Parameter des Modells bestimmt werden,
- – die mit der Signalverarbeitung bestimmten Histogramme der Durchmesserverteilungen werden mit Hilfe der durchmesserabhängigen Detektionsvolumina derart korrigiert bzw. gewichtet, dass sich alle Häufigkeiten auf ein einheitliches Volumen beziehen. Damit ergeben sich die Größenspektren und Konzentrationen der homogenen sphärischen Partikel, d.h. der Blasen und/oder Flüssigkeitstropfen.
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Das inhomogene Intensitätsprofil des Laserstrahls ist derart, dass kleine Partikel nahe der Maximalintensität des Strahls noch detektiert werden können, während große Partikel in der Äußeren Region ähnlich intensive Signale erzeugen. Wie oben erwähnt, kann die Intensitätsverteilung eines monomodigen Laserstrahls mittels einer Gaußverteilung beschrieben werden. Zur Bestimmung der vorhandenen Partikel- bzw. Keimspektren und der Konzentrationen werden die Häufigkeitshistogramme mit dem effektiven Detektionsvolumen gewichtet. Kleine Partikel streuen tendenziell weniger Licht und werden deshalb die Detektionsschwelle nur für Positionen nahe der Laserstrahlachse erreichen. Das Detektionsvolumen ist demnach ein dünner Zylinder. Größere Partikel werden auch weiter außerhalb detektiert. Das Detektionsvolumen ist demnach ein dickerer Zylinder. Noch größere Partikel werden bei Positionen in der Laserstrahlachse den Empfänger übersteuern und nur in den Randbereichen des Laserstrahls auswertbare Signale generieren. Damit ist das Detektionsvolumen ein Hohlzylinder. Das Verfahren definiert in Abhängigkeit von der Intensitätsverteilung im Laserstrahlquerschnitt ein Modell für das Partikeldurchmesserabhängige Detektionsvolumen. Anhand der Bildintensität und den dazu bestimmten Durchmessern der Keime können die Parameter der Detektionsvolumenmodells bestimmt werden. Anschließend werden die Häufigkeitshistogramme mit Hilfe der Volumina korrigiert, so dass die Keimspektren und die Keimkonzentration bestimmt werden können. Durch Nutzung eines dünnen definierten Laserstrahls kann das partikelgrößenabhängige Detektionsvolumen im Vergleich zu anderen Verfahren genauer bestimmt werden. Weiterhin kann das Detektionsvolumen für einen großen Durchmesserbereich angegeben werden und wächst nur langsam mit dem Partikeldurchmesser. Dies ist im Vergleich zu anderen Verfahren (Phasen Doppler, IPI mit Lichtschnitt) vorteilhaft, bei denen das Detektionsvolumen mit dem Partikeldurchmesser schnell wächst bzw. für größere Partikel nicht mehr genau definierbar werden kann. Damit ergibt sich ein wesentlich größerer Dynamikbereich bei gleichzeitig besserer Korrektur. Zur Erläuterung und Gebrauch des Begriffes „Detektionsvolumen“ (detection volume) wird auch auf die Publikation von Albrecht et al. 2003, verwiesen.
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Ergebnisanzeige und Speicherung
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Die Messergebisse, wie Größenspektren und/oder die Konzentration können kontinuierlich ausgegeben werden und auf üblichen Anzeigevorrichtungen ausgegeben werden. Ferner können Speichereinrichtungen und Speichermittel vorhanden sein, um Daten und Bilddateien zu speichern.
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Spezielle Anwendungen des Verfahrens
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Das Verfahren kann in allen Bereichen angewandt werden, in denen Verteilungen und Konzentration homogener sphärischer Partikel in mehrphasigen strömenden Flüssigkeiten, insbesondere mit zusätzlichen inhomogenen und/oder nichtsphärischen Partikeln, bestimmt werden sollen.
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In einem speziellen Beispiel ist das Verfahren ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Keimen in einer mehrphasigen strömenden Flüssigkeit in einem Kavitationskanal, insbesondere einer Wasserströmung mit Blasen und Feststoffpartikeln in einem Kavitationskanal.
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Das Verfahren kann auch eingesetzt werden zur Bestimmung des Größenspektrums und der Konzentration von Öltropfen in Flüssigkeiten. In einem weiteren speziellen Beispiel ist das Verfahren ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung von Öltropfen in Wasser, das mit Öl verunreinigt ist. Beispiele sind Prozesswasser aus industriellen Prozessen, ölverschmutze natürliche Gewässer, Bildewasser oder Kläranlagenwasser, die einleitend bereits erwähnt wurden.
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In einer weiteren Variante des Verfahrens ist die mehrphasige strömende Flüssigkeit Bachwasser, Flusswasser, Meerwasser oder Binnenseewasser, also eine Wasserströmung in der freien See, einem Fluss/Bach oder einem Binnensee. Diese Gewässer können beispielsweise auf Öl-Tropfengrößen und -Konzentrationen analysiert werden, wie oben bereits erwähnt, oder zusätzlich auch auf andere Flüssigkeits- oder Gaspartikel. Sofern zusätzlich Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden sind, können diese bei der Auswertung separiert werden, wie oben angegeben.
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In noch einer Variante wird das Verfahren in einem chemischen Reaktor angewandt, insbesondere einem Reaktor, in dem eine Reaktion zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit durchgeführt wird, beispielsweise einer Blasensäule. Zur Prozessüberwachung oder Regelung kann sowohl die Konzentration der Blasen (Keime) als auch deren Größenspektrum bestimmt werden. Sofern zusätzlich zu den Blasen noch weitere Verunreinigungen bzw. Feststoffpartikel in der Strömung vorhanden sind, können diese bei der Auswertung separiert werden, wie oben angegeben.
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Vorrichtungen
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Kavitationskanal, aufweisend eine Vorrichtung, die zur kontinuierlichen Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration von Flüssigkeitspartikeln und/oder Gaspartikeln in einer mehrphasigen strömenden Flüssigkeit innerhalb des Kavitationskanals eingerichtet ist, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten aufweist:
- – eine Laserlichtquelle zur Einstrahlung eines Laserstrahls in die Flüssigkeit und zur Beleuchtung von Partikeln in der Flüssigkeit,
- – eine optische Einrichtung zum Auffangen von Streulicht der Partikel, wobei die optische Einrichtung zum Auffangen von Streulicht von Partikeln eingerichtet ist, welche entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit enthalten sind,
- – einen Detektor, der zur defokussierten Abbildung eines Ausschnitts der Streufunktion der Partikel zum Erhalt von Streulichtinformationen eingerichtet ist,
- – eine Verarbeitungseinrichtung, die zur kontinuierlichen Verarbeitung der Streulichtinformationen und zur Bestimmung der Größen und/oder der Konzentration der Gas- und/oder Flüssigkeitspartikel eingerichtet ist.
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In einer speziellen Ausführungsform des Kavitationskanals ist die Verarbeitungseinrichtung zur Unterscheidung zwischen den Feststoffpartikeln einerseits und den Gas- und/oder Flüssigkeitspartikeln andererseits eingerichtet, wenn die mehrphasige strömende Flüssigkeit auch inhomogene und/oder nichtsphärische Feststoffpartikel aufweist. In diesem Fall umfasst der im vorigen Absatz bei der Laserlichtquelle, der optischen Einrichtung und dem Detektor verwendete allgemeine Begriff „Partikel“ auch die Feststoffpartikel und diese Komponenten sind entsprechend eingerichtet.
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In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen chemischen Reaktor, aufweisend eine solche Vorrichtung.
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Zur Erläuterung der Komponenten der Vorrichtung wird auf die vorangegangene Beschreibung des Verfahrens verwiesen. Die oben genannten Komponenten können jeweils zur Durchführung der in dieser Beschreibung genannten Verfahrensschritte eingerichtet sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
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2a–d defokussierte Abbildungen verschiedener Partikel
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3 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Strahlen
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4 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Strahlen aus einem Laser-Doppler-Gerät verwendet werden
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5 Vergleich einer Abbildung mit einem Lichtschnitt nach dem Stand der Technik und mit einem Lasereinzelstrahl
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6 eine seitliche Ansicht des Laserstrahls mit beleuchteten Partikeln
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In der 1 ist ein erster Versuchsaufbau gezeigt. In eine Messstrecke mit partikelbeladener Flüssigkeitsströmung 1 wird mittels einer kohärenten Laserlichtquelle 2 ein Laserstrahl 11 eingestrahlt. Der Laserstrahl 11 wird nur lokal im Punkt P eingestrahlt, während bei Verfahren nach dem Stand der Technik eine größere Fläche 16 ausgeleuchtet wird. Schnittfläche 16 durch die Flüssigkeitsströmung 1 kann quer oder parallel zur Strömungsrichtung gewählt sein. Beispielhaft gezeigt ist, wie der Laserstrahl 11, der ein an die Messaufgabe angepasster Laserstrahl sein kann, auf ein Partikel 12 trifft und das Partikel beleuchtet. Ebenfalls beleuchtet wird ein weiterer Partikel 13, der ebenfalls entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Flüssigkeit 1 enthalten ist. Bei der Beleuchtung der Partikel 12 und 13 werden Streulichtstrahlen 14, 15 erzeugt, die unter dem Streulichtwinkel 5 auf eine defokussierende Optik 4 treffen. Von der defokussierenden Optik 4 wird das Streulicht 14, 15 zu einem Detektor 3, ausgebildet als abbildende Optik, geleitet. Die abbildende Optik 3 kann beispielsweise eine Zeilenkamera, eine Flächenkamera oder eine mehrkanalige Kamera sein. Von der abbildenden Optik 3 wird das Signal weitergeleitet zu der Bearbeitungseinrichtung 17, beispielsweise zu einem Computer, in welchem das Signal mittels eines Auswertealgorithmus verarbeitet wird. Nicht gezeigt sind Benutzerschnittstellen bzw. Ausgabeeinrichtungen, wie Displays, Bildschirme etc.
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In den 2a bis 2d sind unterschiedliche Streulichtinformationen dargestellt, die bei unterschiedlichen Partikeltypen erhalten werden.
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Radialsymmetrische sphärische Partikel generieren auf dem Detektor ein Interferenzstreifenmuster welches senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgebildeten Laserstrahls orientiert ist (2a), da die signalwirksamen Glanzpunkte alle in der Streuebene liegen. Die Glanzpunkte von inhomogenen oder nichtsphärischen Partikeln (Feststoffpartikeln) sind dagegen willkürlich auf der Oberfläche verteilt oder der gesamte Partikel / die gesamte Partikeloberfläche streut das einfallende Licht diffus. Im ersteren Fall ergibt sich ein schräges Interferenzstreifensystem welches auch nichtperiodisch sein kann (2b). Im zweiten Fall werden Flecken (Speckles) abgebildet. Kleine Specklestrukturen (2c) werden dabei von vergleichsweise großen Partikeln und große Specklestrukturen (2d) von vergleichsweise kleinen Partikeln generiert.
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3 zeigt einen Versuchsaufbau, in dem mehrere Laserstrahlen 11a, 11b, 11c eingestrahlt werden. Der Abstand der Laserstrahlen 11a–c ist so gewählt, dass sich defokussierende Abbildungen von unterschiedlichen Strahlen nicht oder kaum überlappen. In dem gezeigten Beispiel wird der Partikel 12 von dem Laserstrahl 11a beleuchtet und der Partikel 13 von dem Laserstrahl 11b. Zu den anderen Bezugszeichen wird auf die Erläuterung zu 1 verwiesen. Es ist auch möglich, die Laserstrahlen 11a–c nicht parallel und nicht aus der gleichen Richtung kommend an verschiedenen Stellen in die Flüssigkeit 1 einzustrahlen.
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In der 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der zwei Laserstrahlen 20, 21 aus einer Vorrichtung 10 entstammen, die auch zu einem anderen, laserbasierten Messverfahren einsetzbar ist. In diesem Fall ist die Vorrichtung 10 eine Laser-Doppler-Sendeeinheit zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 1. Im Rahmen des Laser-Doppler-Verfahrens werden die zwei Laserstrahlen 20, 21 gekreuzt und in den Messbereich fokussiert. Gleichzeitig werden die Strahlen 20, 21 zur Messung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. So beleuchtet beispielsweise der Laserstrahl 20 einen Partikel 12, wodurch ein Streulicht 14 erzeugt wird. Zur Erläuterung der weiteren Komponenten und Bezugszeichen wird auf die 1 verwiesen.
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Die 5a zeigt eine defokussierte Abbildung, wie sie nach einem IPI-Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten wird. Eine defokussierte Abbildung wie in der 5a gezeigt erhält man, wenn man einen Lichtschnitt (light sheet) großflächig und nicht punktuell auf eine Probe einstrahlt. Man erhält auf der Abbildung viele verschiedene Partikel, die allerdings oftmals überlappen und aufgrund der flächigen Beleuchtung mit der Laserlichtquelle eine geringe Intensität aufweisen. Im Ergebnis sind die erhaltenen Informationen schwer zu analysieren.
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Die 5b zeigt eine defokussierte Abbildung, wie sie durch punktuelle Einstrahlung eines Laserstrahls in eine strömende Flüssigkeit, die Partikel erhält, erhalten wird. Man erkennt nur wenige Partikel auf einem Bild, in diesem Fall zwei Partikel. Es ist auch erkennbar, dass die Partikel nicht überlappen und einen hohen Kontrast aufweisen, weil in das betrachtete Messvolumen (Analyseregion), das relativ klein ist, die volle Laserintensität eingestrahlt wird. Aus diesen Gründen ist das Bild leicht zu analysieren. Für eine verlässliche Statistik wird eine hohe Bildzahl erzeugt.
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Die 6 zeigt ein Bild mit einem sphärischen Partikel und einem Feststoffpartikel (in der Mitte). Viele weitere Partikel machen den horizontalen Laserstrahl durch Streuung schemenhaft sichtbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Partikelbeladene Flüssigkeitsströmung
- 2
- Kohärente Lichtquelle (Laser)
- 3
- Abbildende Optik
- 4
- Defokussierende Optik
- 5
- Streuwinkel
- 6
- Defokussierte Abbildung eines homogenen/sphärischen Partikels
- 7
- Defokussierte Abbildung eines nichtsphärische/inhomogenen Partikels mit lokalisierten Glanzpunkten
- 8
- Defokussierte Abbildung eines großen nichtsphärische/inhomogenen Partikels
- 9
- Defokussierte Abbildung eines kleinen nichtsphärische/inhomogenen Partikels
- 10
- Laser-Doppler-Sendeeinheit
- 11
- Laserstrahl
- 12
- Partikel
- 13
- Partikel
- 14
- gestreuter Strahl
- 15
- gestreuter Strahl
- 16
- die Strömung schneidende, gedachte Fläche
- 17
- Verarbeitungseinrichtung
- 20
- erster Laserstrahl einer Doppler-Messvorrichtung
- 21
- zweiter Laserstrahl einer Doppler-Messvorrichtung
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Literatur
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- Maeda M., Akasaka Y., and Kawaguchi T. (2002) Improvements of the interferometric technique for simultaneous measurement of droplet size and velocity vector field and its application to a transient spray. Exp. Fluids 33: 125–134.
- Damaschke N., Nobach H., Nonn T. I., Semidetnov N., and Tropea C. (2005) Multidimensional particle sizing techniques. Exp. Fluids 39: 336–350.
- Albrecht H. -E., Borys M., Damaschke N., and Tropea C. (2003) Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques.Springer-Verlag.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Damaschke et al. [0011]
- Maeda et al. 2002 [0011]
- G. König, K. et al. [0027]
- Damaschke et al., Experiments in Fluids (2005) 39: 336–350 [0027]
- Albrecht et al. (2003) [0027]
- Albrecht et al 2003 [0039]
- Damaschke et al. 2005 [0039]
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- S. Suzuki, K. Abe. (1985) "Topological structural analysis of digital binary image by border following" CVGIP 30(l): 32–46 [0063]
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