WO2013189921A1

WO2013189921A1 - Light-based particle detection and size determination

Info

Publication number: WO2013189921A1
Application number: PCT/EP2013/062607
Authority: WO
Inventors: Reinhard Freitag; Robert Schrobenhauser
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-12-27
Anticipated expiration: 2014-12-19
Also published as: DE102012210289A1

Description

Beschreibung description

Lichtbasierte Partikeldetektion und Größenbestimmung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, Mitteln zur Führung wenigstens eines Teils der Partikel als Partikelstrahl durch den Lichtstrahl und einem Lichtdetektor zur Erfassung von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Lichtstrahls sowie ein zugehöriges Verfahren . The invention relates to an arrangement for detecting and measuring the size of particles with a light source for generating a light beam, means for guiding at least a portion of the particles as a particle beam through the light beam and a light detector for detecting portions of the light beam scattered on the particles as well as an associated method.

Bei der Laser-basierten Partikeldetektion wird das Streulicht unter bestimmten Winkeln aufgefangen, das Signal gemessen und daraus auf die Partikelgröße geschlossen. In einem Ansatz wird das Signal-Maximum beim Durchtritt des Partikels durch den Laserstrahl gemessen und nach der Mie-Theorie ausgewertet. Diese Technik hat jedoch mehrere Einschränkungen: a) Das Signal-Rausch-Verhältnis limitiert die kleinste detektierbare Partikelgröße, b) Der Laserstrahl ist - sofern nicht In the laser-based particle detection, the scattered light is collected at certain angles, the signal is measured and from this closed to the particle size. In one approach, the signal maximum as the particle passes through the laser beam is measured and evaluated according to the Mie theory. However, this technique has several limitations: a) the signal-to-noise ratio limits the smallest detectable particle size, b) the laser beam is - if not

kollimiert - divergent und weist im Normalfall eine gaußför- mig verlaufende Intensität über dem Querschnitt auf; dies führt zu Mehrdeutigkeiten und Fehlern in der Bestimmung der Signal-Maxima : Partikel sollten idealerweise am Punkt der höchsten Laserstrahlintensität durchtreten, da hier die collimates - diverges and normally exhibits a Gaussian intensity over the cross section; this leads to ambiguities and errors in the determination of the signal maxima: particles should ideally pass at the point of highest laser beam intensity, since here the

Streulichtmenge am größten ist. Dies ist im Zentrum der Stray light level is the largest. This is in the center of

Strahltaille. Treten Partikel nun beispielsweise außerhalb des Zentrums an einer longitudinal von der Strahltaille ent^¬ fernten Position durch den Laserstrahl, so ist die Laser- Strahlintensität wesentlich kleiner, während die Beam waist. Particles occur now, for example outside the center at a longitudinally from the beam waist ent ^¬ fernten position by the laser beam, then the laser beam intensity is substantially smaller, while the

Durchtrittszeit in beiden Fällen dieselbe ist. Die Bestimmung der Durchtrittszeit kann jedoch als Charakteristikum des Partikeldurchtritts verwendet werden um zu ermitteln, ob das Streulicht des Partikels korrekt auf den Detektor abgebildet wird. Dies ist nicht der Fall, wenn ein Partikel zu weit von der Strahltaille als dem idealen Abbildungspunkt entfernt liegt. Die Schwierigkeit in der Auswertung besteht somit da^¬ rin, Eindeutigkeit zu gewährleisten. Bekannte Lösungsansätze bestehen beispielsweise in einer auf^¬ wändigen Signalverarbeitung, in welcher beispielsweise die Symmetrie des Signalverlaufs analysiert und die Passage time is the same in both cases. However, the determination of the transit time can be used as a characteristic of the particle penetration to determine whether the scattered light of the particle is correctly imaged on the detector. This is not the case if a particle is too far away from the beam waist than the ideal imaging point. The difficulty in the evaluation thus there since ^¬ rin to ensure uniqueness. Known approaches exist, for example, in an on ^¬ worthy signal processing, in which, for example, analyzed the symmetry of the waveform and the

Durchtrittszeit ausgewertet wird. Nur wenn diese in einem eng eingeschränkten Bereich in der Nähe der Strahltaille lag, wurde das Partikel als für die Partikelgrößenbestimmung inte^¬ ressant berücksichtigt. Ebenso wurden zusätzliche Luftströ^¬ mungen („sheath air") eingesetzt, welche den Partikelfluss durch die Strahltaille führen sollten. Es wurde jedoch gleichzeitig ein vorhandener Fehler akzeptiert. Auch der Einsatz von Linsen zur Abbildung des Streulichts auf einem einzigen Punkt innerhalb der Laserstrahltaille wurde umgesetzt, dies bedeutet jedoch einen erhöhten Komplexitätsgrad sowie zusätzliche Komponenten. Passing time is evaluated. Only when these lay in a tightly restricted area near the beam waist, the particles than for the particle size determination was inte ^¬ esting considered. Likewise, additional Luftströ ^¬ regulations ( "sheath air") were used, which should guide the particles flow through the beam waist. However, it was accepted, an existing error simultaneously. The use of lenses to image the scattered light on a single point within the laser beam waist was implemented However, this means an increased degree of complexity and additional components.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, bei denen die eingangs genannten Probleme vermindert sind. It is an object of the present invention to provide an improved arrangement for detecting and measuring the size of particles and an associated method, in which the problems mentioned are reduced.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausge- staltungen der Erfindung. This object is achieved by an arrangement having the features of claim 1 and a method having the features of claim 8. The subclaims relate to advantageous embodiments of the invention.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung und Größenmes^¬ sung von Partikeln umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls. Sie umfasst weiterhin Mittel zur Führung wenigstens eines Teils der Partikel als Partikelstrahl durch den Lichtstrahl und schließlich einen Lichtdetektor zur Erfassung von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Lichtstrahls . Zwischen der Lichtquelle und dem Bereich, in dem der The inventive arrangement for detecting and Größenmes ^¬ solution of particles comprising a light source for generating a light beam. It further comprises means for guiding at least part of the particles as a particle beam through the light beam and finally a light detector for detecting portions of the light beam scattered on the particles. Between the light source and the area where the

Partikelstrahl durch den Lichtstrahl führbar ist, ist ein Ab- schattungselement vorgesehen, das zu einer Abschattung oder Abschwächung des Lichtstrahls ausgestaltet ist. Dabei ist das Abschattungselement so gestaltet und angeordnet, dass die durch die Abschattung bewirkte Änderung im Signal des Licht^¬ detektors eine Identifikation solcher Partikel erlaubt, die im Wesentlichen durch das Zentrum des Lichtstrahls laufen. Particle beam can be guided by the light beam, a shading element is provided, which is configured to a shading or attenuation of the light beam. That's it Shading element designed and arranged so that caused by the shading change in the signal of the light ^¬ detector allows identification of such particles that run essentially through the center of the light beam.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung und Größenmessung von Partikeln wird mittels einer Lichtquelle ein Lichtstrahl erzeugt, wenigstens ein Teil der Partikel als Partikelstrahl durch den Lichtstrahl geführt und gestreute Anteile des Lichtstrahls erfasst und ausgewertet. Dabei wird ein Teil des Lichts abgeschattet oder abgeschwächt und eine durch die Abschattung erzeugte Signaleigenschaft ausgewertet, um zu bestimmen, ob die Bewegung eines der Partikel im Wesentlichen durch das Zentrum des Lichtstrahls (14) geführt hat. In the method according to the invention for detecting and measuring the size of particles, a light beam is generated by means of a light source, at least a part of the particles is guided as a particle beam through the light beam and scattered components of the light beam are detected and evaluated. In doing so, a portion of the light is shaded or attenuated, and a signal property generated by the shading is evaluated to determine whether the movement of one of the particles has substantially passed through the center of the light beam (14).

Dabei versteht es sich, dass der Zweck der Anordnung sein kann, nur eine Erfassung von Partikeln oder nur eine Größenmessung oder Größenabschätzung oder auch beides gleichzeitig vorzunehmen. Bei der Lichtquelle handelt es sich bevorzugt um eine Laserdiode oder eine andere Laserlichtquelle. Es sind aber gewöhnliche (nicht-Laser) Lichtquellen anderer Art verwendbar. Bei den Mitteln zur Führung der Partikel kann es sich um vielerlei Ausgestaltungen handeln. Sie können ledig- lieh in einem Teilcheneinlass bestehen, der einen bereits bestehenden Partikelfluss zum Lichtstrahl hin durchlässt. Es kann sich aber auch um eine Einrichtung handeln, die die Partikel beispielsweise mittels eines Luftstroms aktiv leitet. Im Zentrum des Lichtstrahls bezeichnet dabei einen Bereich, der in einem Schnitt durch den Lichtstrahl quer zu seiner Ausbreitungsrichtung im Zentrum oder im Bereich des Zentrums des sich ergebenden Schnittbilds liegt. Ist der Lichtstrahl beispielsweise in seiner Gesamtheit (idealisiert) zylinder- förmig, so ist sein Schnittbild stets ein Kreis und das Zent^¬ rum des Lichtstrahls bezeichnet in diesem Fall das Zentrum des Kreises. Abschattung bezeichnet hier die völlige Blockade des Licht^¬ strahls, während Abschwächung eine teilweise Blockade bedeu^¬ tet . Die Erfindung erreicht vorteilhaft, dass ein Partikel, das sich durch das Zentrum oder nahezu durch das Zentrum des Lichtstrahls bewegt, ein eindeutig identifizierbares Signal^¬ muster im Detektor hinterlässt. Genauer wird in der Zeit, in der sich das Partikel durch den abgedunkelten Bereich bewegt, auch kein oder weniger Licht gestreut, d.h. das Signal im De^¬ tektor wird mehr oder weniger stark verringert oder im Falle der völligen Abschattung völlig unterdrückt. It should be understood that the purpose of the arrangement may be to perform only particle detection or just size measurement or size estimation or both at the same time. The light source is preferably a laser diode or another laser light source. However, ordinary (non-laser) light sources of other types are usable. The means for guiding the particles can be many different embodiments. They can exist only in a particle inlet, which lets an already existing particle flow through to the light beam. But it may also be a device that actively conducts the particles, for example by means of an air flow. In the center of the light beam, this designates a region which lies in a section through the light beam transversely to its propagation direction in the center or in the region of the center of the resulting cross-sectional image. If the light beam, for example, in its entirety (idealized) cylindrical shape, its average image is always a circle and centering ^¬ rum of the light beam in this case means the center of the circle. Shadowing refers herein to the complete blockage of the light beam ^¬ while attenuating a partial blockade signified ^¬ tet. The invention achieves advantageous that a particle moving through the center or virtually through the center of the light beam leaves a clearly identifiable signal ^¬ pattern in the detector. More specifically, also scattered no or less light in the time in which the particle moves through the darkened area, ie, the signal in the De ^¬ Tektor is more or less greatly reduced or completely suppressed in the case of the complete shadowing.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass dieses Signalmuster den sonstigen Messvorgang nicht übermäßig negativ beeinflusst, aber vorteilhaft dazu herangezogen werden kann, Aussagen über den Weg der Partikel zu treffen, die anderweitig nur schwie^¬ rig zu treffen sind. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschattungsele- ment so angeordnet und ausgestaltet, dass der Zentralbereich des Lichtstrahls abgeschattet wird. Das Abschattungselement ist dann bevorzugt in Form eines im Vergleich zum Radius des Lichtstrahls kleinen Kreises oder kleinen Rechtecks gestal- tet. Hierdurch wird die Signaländerung von Partikeln, die sich durch das Zentrum bewegen, sehr deutlich, da genau der Bereich höchster Signalintensität ausgeblendet wird. For the invention it was recognized that this signal pattern does not unduly adversely affect the other measurement, but can be advantageously used to make statements about the path of particles that are otherwise found only Schwiering ^¬ rig. In one embodiment of the invention, the shading element is arranged and designed such that the central region of the light beam is shaded. The shading element is then preferably in the form of a small circle or small rectangle compared to the radius of the light beam. As a result, the signal change of particles that move through the center, very clear, as exactly the area of highest signal intensity is hidden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Ab- schattungselement so angeordnet und ausgestaltet, dass derIn an alternative embodiment of the invention, the shading element is arranged and configured such that the

Bereich des Lichtstrahls ab einer festlegbaren Entfernung vom Zentrum abgeschattet wird. Diese Ausgestaltung entspricht ei^¬ ner Umkehrung der ersten Möglichkeit, indem nur Licht im Zentrum des Lichtstrahls überhaupt durchgelassen oder nicht abgeschwächt wird. Hierbei wird die Signalauswertung verein^¬ facht, da Partikel, die außerhalb des Zentrums durch den Lichtstrahl laufen, meist gar kein Signal liefern. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschattungselement als schlitzförmige Blende ange^¬ ordnet und ausgestaltet, so dass ein Bereich des Lichtstrahls durchgelassen wird, der entlang eines Partikelwegs durch das Zentrum des Lichtstrahls liegt. Da die Partikel durch die Mittel zur Führung im Wesentlichen aus einer Richtung durch den Lichtstrahl treten, müssen sich alle Partikel, die durch das Zentrum des Lichtstrahls treten, nahe einer Linie bewe^¬ gen. Die schlitzförmige Blende lässt einen Bereich nahe die- ser Linie offen. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, von den gewünschten Partikeln, die sich durch das Zentrum bewegen, das volle Signal zu erhalten, da für diese kein Bereich abge^¬ schattet ist, und erleichtert somit die Auswertung des Sig^¬ nals . Shadow area of the light beam is shaded at a definable distance from the center. This configuration corresponds ei ^¬ ner reversing the first possibility by transmitted or only light in the center of the light beam at all is not weakened. Here, the signal analysis is simplistic ^¬ kindled, because particles that run out of the center by the light beam, usually provide no signal. In a further alternative embodiment of the invention, the shading ^{element is} arranged and configured as a slot-shaped diaphragm, so that a region of the light beam is transmitted which lies along a particle path through the center of the light beam. As the particles pass through the means for guiding substantially in one direction by the light beam, all particles that pass through the center of the light beam, the slot-shaped aperture have, near a line bewe ^¬ gen. Leaves a region near DIE ser line open , This configuration makes it is ^¬ shades of the desired particles that move through the center to get the full signal, since for these no area abge, and thus facilitates the evaluation of the Sig ^¬ Nalles.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschattungselement so angeordnet und ausgestaltet, dass ein Bereich entlang der Linie, an der sich Partikel durch das Zentrum des Lichtstrahls bewegen, abgeschattet wird, wobei der Bereich - auf dem Weg des Partikels - vor oder hinter dem Zentrum liegt. Bei dieser Ausgestaltung sind Signale von allen Partikeln vorhanden und bei denjenigen, die sich durch das Zentrum bewegen, ist statt dem Bereich höchster Intensität im Zentrum selbst ein Bereich geringerer In- tensität ausgeblendet, was das Signal/Rausch-Verhältnis ver^¬ bessert . In a further alternative embodiment of the invention, the shading element is arranged and configured so that a region along the line at which particles move through the center of the light beam is shaded, the region - on the path of the particle - before or after the Center is located. In this configuration, signals are provided from all particles and in those that move through the center of even a portion of lower intensity is hidden instead of the region of highest intensity in the center, which improves the signal / noise ratio ^¬ ver.

Es ist zweckmäßig, wenn die Anordnung eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Signalen des Lichtdetektors umfasst, die ausgestaltet ist, aus den Signalen die Menge und/oder Größe der Partikel zu ermitteln. It is expedient if the arrangement comprises an evaluation device for evaluating signals of the light detector, which is designed to determine from the signals the amount and / or size of the particles.

Diese Auswerteeinrichtung kann nun ausgestaltet sein, bei der Auswertung eine durch die Abschattung erzeugte Signaleigen- schaff - die Reduzierung des Signals - zu berücksichtigen, um zu bestimmen, ob die Bewegung eines der Partikel durch das Zentrum des Lichtstrahls geführt hat. Dies ist bei zentraler Abschattung entweder direkt anhand der Reduzierung des Sig- nals möglich, da ein Partikel, das sich außerhalb der Ab- schattungszone durch den Lichtstrahl bewegt, keine solche Ab- schwächung des Signals erfährt. Wird alternativ eine seitlich blockende Apertur eingebracht, so muss ein verwertbares Sig- nal eine hohe Symmetrie entsprechend des Lichtstrahlverlaufs aufweisen . This evaluation device can now be designed to take into account in the evaluation a signal property generated by the shading-the reduction of the signal-in order to determine whether the movement has guided one of the particles through the center of the light beam. In the case of central shading, this is either directly based on the reduction of the sig- This is possible because a particle that moves through the light beam outside of the shading zone does not experience such a weakening of the signal. If, as an alternative, a laterally blocking aperture is introduced, then a usable signal must have a high degree of symmetry corresponding to the light beam profile.

Weiterhin kann die Auswerteeinrichtung ausgestaltet sein, bei der Auswertung eine durch die Abschattung erzeugte Signalei- genschaft zu berücksichtigen, um zu bestimmen, in welcherFurthermore, the evaluation device can be designed to take into account in the evaluation a signal property generated by the shading, in order to determine in which

Entfernung von der Lichtquelle die Bewegung eines der Partikel durch den Lichtstrahl geführt hat. Hierzu wird vorteil^¬ haft die Dauer des Durchtritts des Partikels durch den Laser^¬ strahl oder der Abschattung desselben, also der Signalab- Schwächung, verwendet. Bei einem Lichtstrahl, der im Laufe seines Wegs aufweitet, wird der Bereich der Abschattung im Laufe seines Wegs immer größer, d.h. die Dauer der Abschat^¬ tung beim Durchtritt durch diese Zone immer länger. Bevorzugt umfasst die Anordnung eine Linse zur Fokussierung des Lichtstrahls. Als Abschattungselement kann dann bei^¬ spielsweise die Linse mitverwendet werden, indem ein Bereich der Linse geschwärzt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein eigenes, beispielsweise undurchsichtiges, also lichtblockierendes Element in den Strahlweg zu bringen. Distance from the light source that has caused movement of one of the particles through the light beam. For this purpose, the duration of the passage of the particle by the laser beam or the shading ^¬ thereof is advantageous ^¬ way, so the decay of signal attenuation, is used. When a light beam which expands in the course of its travel, the range of the shade during the course of its travel is increasing, ie, the duration of the Abschat ^¬ tung during passage through this zone always longer. The arrangement preferably comprises a lens for focusing the light beam. As a shading element, the lens can then be used, for example, in the case of ^{¬ by} blackening a region of the lens. Another possibility is to bring a separate, for example, opaque, so light-blocking element in the beam path.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausfüh^¬ rungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figu^¬ ren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen A preferred, but by no means limitative exporting ^¬ approximately example of the invention will now be further explained with reference to Figu ^¬ ren the drawing. The features are shown schematically. Show it

Figur 1 einen schematischen Sensoraufbau zur Figure 1 shows a schematic sensor structure for

Partikeldetektion und Partikelwege und Particle detection and particle paths and

Figur 2 Sensorsignalverläufe für die Partikelwege, FIG. 2 sensor signal curves for the particle paths,

Figur 3 Abschattungsvarianten . Figure 3 shading variants.

Figur 1 zeigt einen stark schematisierten und nicht maßstabsgetreuen Aufbau eines Partikeldetektors 10. Der Partikeldetektor 10 weist eine Laserdiode 11 und eine im Be^¬ reich der Laserdiode 11 angeordnete Linse 12 zur Fokussierung des Laserstrahls auf. Ein rechteckiger Bereich 13 in der Mitte der Linse 12 ist geschwärzt und damit praktisch undurch- dringlich für das Laserlicht. Der Partikeldetektor 10 weist weiterhin Mittel zur Führung eines Partikelstroms zum Laserstrahl 14 und durch den Laserstrahl 14 hindurch auf, die jedoch in Figur 1 nicht dargestellt sind. Schließlich weist der Partikeldetektor 10 eine Detektoreinrichtung zum Auffangen und Erfassen von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Laserstrahls 14 auf, die jedoch in Figur 1 zur besseren Übersicht ebenfalls nicht dargestellt ist. FIG. 1 shows a highly schematized and not to scale construction of a particle detector 10 Particle detector 10 includes a laser diode 11 and disposed in the loading ^¬ reaching the laser diode 11 lens 12 for focusing the laser beam. A rectangular area 13 in the center of the lens 12 is blackened and thus practically impermeable to the laser light. The particle detector 10 furthermore has means for guiding a particle flow to the laser beam 14 and through the laser beam 14, which, however, are not shown in FIG. Finally, the particle detector 10 has a detector device for collecting and detecting portions of the laser beam 14 scattered on the particles, which, however, is likewise not shown in FIG. 1 for a better overview.

Die Laserdiode 11 erzeugt einen Laserstrahl 14, der durch die Linse 12 tritt. Der Laserstrahl 14 weist nach Durchgang durch die Linse 12 einen hyperboloidartigen Verlauf des Querschnitts 15, 16 auf. Mit anderen Worten läuft der Laserstrahl 14, dessen Querschnitt 15, 16 im vorliegenden Beispiel ein Kreis ist, zuerst zusammen zu kleinerem Durchmesser und dann im Lauf des Weges wieder auseinander. The laser diode 11 generates a laser beam 14 which passes through the lens 12. After passing through the lens 12, the laser beam 14 has a hyperboloidal profile of the cross section 15, 16. In other words, the laser beam 14, whose cross-section 15, 16 in the present example is a circle, first diverge together to smaller diameter and then apart again in the course of the path.

In dem Bereich, in dem der Querschnitt 15 am kleinsten ist, ist ein bevorzugter Messpunkt, da hier das Messsignal am größten ist. Figur 1 zeigt hierfür einen ersten und zweiten Partikelweg 17, 18, die in diesem Bereich durch den Laserstrahl 14 führen. Dabei führt der erste Partikelweg 17 gerade durch das Zentrum des Laserstrahls 14, während der zweite Partikelweg 18 zwar durch den Laserstrahl 14 führt, jedoch an dessen Zentrum vorbei. Der erste Partikelweg 17 führt das entsprechende Partikel also durch denjenigen Bereich des La^¬ serstrahls 14, in dem das Laserlicht durch den geschwärzten Bereich 13 abgeschattet ist. In the region in which the cross section 15 is the smallest, a preferred measuring point, since here the measuring signal is greatest. For this purpose, FIG. 1 shows a first and second particle path 17, 18 which lead through the laser beam 14 in this area. In this case, the first particle path 17 leads straight through the center of the laser beam 14, while the second particle path 18 though passes through the laser beam 14, but at the center thereof. The first particle path 17 leads the corresponding particles thus by that region of the La ^¬ serstrahls 14 in which the laser light is shaded by the blackened area. 13

In einem weiter abseits der Laserdiode 11 liegenden Bereich des Laserstrahls 14 führen ein dritter und vierter In a further away from the laser diode 11 lying region of the laser beam 14 lead a third and fourth

Partikelweg 19, 20 durch den Laserstrahl 14. Dabei führt der dritte Partikelweg 19 gerade durch das Zentrum des Laser^¬ strahls 14, während der vierte Partikelweg 20 zwar durch den Laserstrahl 14 führt, jedoch wiederum an dessen Zentrum vorbei. Der dritte Partikelweg 19 führt das entsprechende Parti^¬ kel also wie der erste Partikelweg 17 durch denjenigen Be^¬ reich des Laserstrahls 14, in dem das Laserlicht durch den geschwärzten Bereich 13 abgeschattet ist. Particle path 19, 20 through the laser beam 14. In this case, the third particle 19 leads straight through the center of the laser ^¬ beam 14, while the fourth particle 20 although through the Laser beam 14 leads, but again past the center. The third particle path 19 leads the corresponding Parti ^¬ angle so as the first particle path 17 by those Be ^¬ area of the laser beam 14 in which the laser light is shaded by the blackened area. 13

Auf dem Weg entlang der Partikelwege 17...20 streuen die Par^¬ tikel auftreffendes Licht im Laserstrahl 14. Dieses wird von der Detektoreinrichtung aufgenommen und führt zu einem Mess- signal. Verläufe 21...24 von Messsignalen über die Zeit für die Partikelwege 17...20 sind in Figur 2 dargestellt. Dabei entspricht bei geradliniger und unbeschleunigter Bewegung der Zeitablauf der in Figur 1 dargestellten y-Koordinate . Der erste Verlauf 21 entspricht dem Messsignal bei Durchlauf des ersten Partikelwegs 17. Der im Wesentlichen symmetrische Gauß-artige Verlauf des Signals ist zur Mitte hin unterbro^¬ chen, da hier das Partikel durch den Schatten des geschwärzten Bereichs 13 läuft. Aus der Breite 25 der Unterbrechung lässt sich - beispielsweise zusammen mit der gesamten Breite des Verlaufs 21 oder aus einem anderen Maß der Geschwindig^¬ keit des Partikels - auf den Abstand des ersten Partikelwegs 17 von der Laserdiode 11 schließen. Der zweite in Figur 2 dargestellte Verlauf 22 bezieht sich auf den zweiten On the way along the particle paths 17 ... 20, the Par ^¬ Tikel scatter incident light in the laser beam 14. This is received by the detector means, resulting in a measurement signal. Curves 21... 24 of measurement signals over time for the particle paths 17... 20 are shown in FIG. In the case of rectilinear and unaccelerated movement, the time sequence corresponds to the y-coordinate shown in FIG. The first curve 21 corresponds to the measuring signal at the passage of the first particle path 17. The substantially symmetrical Gaussian-like profile of the signal is toward the center unterbro ^¬ Chen, since the particle passes through the shadow of the blackened region. 13 From the width 25 of the interruption can - for example, together with the entire width of the curve 21 or from another measure of the speed ^¬ speed of the particle - close to the distance of the first particle path 17 of the laser diode 11. The second course 22 shown in FIG. 2 relates to the second one

Partikelweg 18. Da der zweite Partikelweg 18 an dem abge^¬ schatteten Bereich vorbeiführt, ergibt sich im zweiten Verlauf keine Unterbrechung. Aus dem zweiten Verlauf 22 kann - ohne Kenntnis des Partikelwegs 18 - eindeutig geschlossen werden, dass dieser nicht durch das Zentrum des Laserstrahls 14 geführt hat. Particle path 18. Since the second particle path 18 leads past the abge ^¬ shadowed area, resulting in the second course no interruption. Without knowing the particle path 18, it can be clearly concluded from the second course 22 that the latter has not passed through the center of the laser beam 14.

Der dritte Verlauf 23 entspricht dem Messsignal bei Durchlauf des dritten Partikelwegs 19. Der im Wesentlichen symmetrische Gauß-artige Verlauf des Signals ist auch hier wieder zur Mit- te hin unterbrochen, da hier das Partikel durch den Schatten des geschwärzten Bereichs 13 läuft. Aus der Breite 26 dieser Unterbrechung lässt ebenfalls auf den Abstand des dritten Partikelwegs 19 von der Laserdiode 11 schließen. Bei bekann- ter Geometrie des Partikeldetektors 10 kann also erkannt wer^¬ den, dass ein Partikel auf dem dritten Partikelweg 19 nicht im idealen Messbereich den Laserstrahl 14 durchlaufen hat. Der vierte in Figur 2 dargestellte Verlauf 24 bezieht sich auf den vierten Partikelweg 20. Da der vierte Partikelweg 20 an dem abgeschatteten Bereich vorbeiführt, ergibt sich im vierten Verlauf wieder keine Unterbrechung. Auch hier kann also - ohne Kenntnis des entsprechenden vierten Partikelwegs 20 - geschlossen werden, dass dieser nicht durch das Zentrum des Laserstrahls 14 geführt haben kann. The third curve 23 corresponds to the measuring signal when the third particle path 19 passes through. The essentially symmetrical Gaussian curve of the signal is again interrupted towards the middle, since here the particle passes through the shadow of the blackened region 13. From the width 26 of this interruption can also be close to the distance of the third particle path 19 of the laser diode 11. In known ter geometry of the particle detector 10 can therefore detect the ^¬ that a particle has not passed on to the third particle path 19 in the ideal range the laser beam fourteenth The fourth course 24 shown in FIG. 2 relates to the fourth particle path 20. Since the fourth particle path 20 leads past the shaded area, there is no interruption in the fourth course. In this case as well-without knowledge of the corresponding fourth particle path 20-it can be concluded that the latter can not have passed through the center of the laser beam 14.

Vorteilhaft wird die Auswertung auf solche Partikel begrenzt, die möglichst nahe am idealen Bereich durch den Laserstrahl 14 treten oder diesen Partikeln wird eine höhere Gewichtung eingeräumt . Advantageously, the evaluation is limited to those particles which pass as close as possible to the ideal region through the laser beam 14 or these particles are given a higher weighting.

In einer weiteren Verbesserung der Messung kann ein matched filter (Optimalfilter) , der auf die Abschattungsform ange- passt ist, verwendet werden. Dadurch entsteht der zusätzliche Vorteil, dass das für Photodioden typische 1 /f-Rauschen, das insbesondere bei niedrigen Frequenzen auftritt, durch einen Hochpass zur Auswertung der starken Anstiegsflanken der Abschattung, zusätzlich reduziert werden kann. Das System- Rauschen wird damit minimiert. Eine solche Realisierung hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie mit vergleichsweise weni^¬ gen Schritten durchgeführt werden kann und somit Rechen- und Auswertekapazitäten spart. Der gezeigte Partikeldetektor 10 benötigt keine Luftführungs^¬ strömungen, was seine Zuverlässigkeit maximiert und die auf^¬ tretenden Fehler minimiert. Der Partikeldetektor 10 erlaubt erstmalig eine genaue Bestimmung der Partikelposition innerhalb des Laserstrahls ohne zusätzliche Hilfsmittel und bei gleichzeitig geringem Messaufwand. In a further improvement of the measurement, a matched filter (matched to the shading shape) can be used. This results in the additional advantage that the typical for photodiodes 1 / f noise, which occurs especially at low frequencies, can be additionally reduced by a high pass to evaluate the strong rising edges of shading. The system noise is thus minimized. Such an implementation has the added advantage that it can be done with relatively Weni ^¬ gen steps and thus saves computing and Auswertekapazitäten. The particle detector 10 shown requires no air flow ^{¬ flows} , which maximizes its reliability and minimizes the ^{occurrence of} errors ^¬ . The particle detector 10 allows for the first time an accurate determination of the particle position within the laser beam without additional aids and at the same time low measurement costs.

In der Figur 3 sind mehrere Abschattungsvarianten 31...34 gezeigt, die für die Partikelmessung verwendet werden können. Die erste Abschattungsvariante 31 entspricht der im bisher erläuterten Ausführungsbeispiel verwendeten. Hierbei ist ein Zentralbereich der Linse geschwärzt. Der Zentralbereich kann dabei beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig sein . FIG. 3 shows a plurality of shading variants 31... 34 which can be used for particle measurement. The first shading variant 31 corresponds to that used in the embodiment explained so far. Here, a central area of the lens is blackened. The central region can be, for example, rectangular, square or circular.

Die zweite Abschattungsvariante 32 entspricht einer schlitz^¬ förmigen Blende und kann durch eine entsprechende Schwärzung der Linse oder auch durch eine unabhängig von der Linse bestehende Blende realisiert werden. Partikel, die sich außer^¬ halb des lichtdurchlässigen Bereichs der Blende bewegen, liefern hierbei überhaupt kein Signal mehr. Die dritte Abschattungsvariante 33 entspricht einer Umkehr der ersten Abschattungsvariante 31. Hierbei wird nur in einem kleinen Bereich um das Zentrum der Linse Licht durchgelassen. Dies reduziert die auszuwertenden Signale deutlich. Die vierte Abschattungsvariante 34 entspricht der ersten Ab^¬ schattungsvariante 31, allerdings ist hier der geschwärzte Bereich der Linse aus dem Zentrum herausgerückt, um den Be^¬ reich höchster Signalintensität nicht auszublenden. Die Ab^¬ schattung liegt hier vor oder hinter dem Zentrum auf einem gedachten Partikelweg, der durch das Zentrum führt. The second Abschattungsvariante 32 corresponds to a slit ^¬ shaped aperture and can be realized by a corresponding blackening of the lens or by an irrespective of the lens existing aperture. Particles which move except ^¬ half of the light transmitting region of the diaphragm, in this case deliver at all no signal. The third shading variant 33 corresponds to a reversal of the first shading variant 31. In this case, light is transmitted only in a small area around the center of the lens. This significantly reduces the signals to be evaluated. The fourth Abschattungsvariante 34 corresponds to the first Ab ^¬ schattungsvariante 31, but here the blackened area of the lens from the center is moved out, in order not to hide the Be ^¬ rich highest signal intensity. The ab ^¬ shading is here before or after the center on an imaginary particle path that leads through the center.

Claims

claims

1. arrangement (10) for detecting and measuring the size of particles with

a light source (11) for generating a light beam (14),

Means for guiding at least part of the particles as a particle beam through the light beam (14),

a light detector for detecting portions of the light beam (14) scattered on the particles,

characterized in that between the light source (11) and the region in which the particle beam through the light beam (14) can be guided, a shading element (13) for shading ^¬ Abschwächung or of the light beam (14) is provided, wherein the shading element ( 13) is designed and arranged to ^¬ that allowed by the shadowing caused Ände ^¬ tion in the signal of the light detector, an identification of such particles, which run essentially through the center of the light beam.

2. Arrangement (10) according to claim 1, wherein the ^{Abschattungs ¬} element (13) is arranged so that the central region of the light beam (14) is shaded.

3. Arrangement (10) according to claim 1, wherein the Abschattungs ^¬ element (13) is arranged so that the area of the light beam ^¬ (14) is shaded from a definable distance from the center.

4. The arrangement (10) according to claim 1, wherein the shading ^¬ element (13) in an area of the light beam (14) angeord ^¬ net is disposed on a path of a particle through the center of the light beam (14) in front of or behind the Center of the light beam (14) is located.

5. Arrangement (10) according to one of the preceding claims with a lens (12) for focusing the light beam (14).

The assembly (10) of claim 5, wherein a portion of the lens (12) is blackened to act as a shade member (13).

7. Arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the light source (11) is a laser diode (11).

8. Arrangement (10) according to one of the preceding claims with an evaluation device for evaluating signals of the light detector, designed to determine from the signals the amount and / or size of the particles.

9. Arrangement (10) according to claim 8, wherein the evaluation device is configured to take into account a generated by the shading signal property in the evaluation to determine whether the movement of one of the particles has passed through the center of the light beam (14).

10. The arrangement (10) according to claim 8 or 9, wherein the evaluation is teeinrichtung configured in evaluating a signal characteristic caused by the shadowing to berücksichti ^¬ gene to determine at what distance from the light source (11) the movement of a the particle has passed through the light beam ^¬ (14).

11. Method for detecting and measuring the size of particles, in which

a light beam (14) is generated by means of a light source (11),

- At least a portion of the particles is guided as a particle beam through the light beam (14),

Be detected scattered portions of the light beam (14) and out ^¬ evaluates, -

characterized in that a part of the light is shaded or attenuated and a erzeug ^¬ te by the shading signal characteristic is evaluated to determine whether the movement of the particles substantially through the center of the light beam (14) has performed.

12. The method according to claim 11, wherein a generated by the shading signal property is evaluated to determine at which distance from the light source (11) has led the movement of one of the particles through the center of the light ^¬ beam (14).