WO2016197259A1 - Method and device for detecting aerosol particles - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for the selective determination of a certain class of particles suspended in a carrier gas (aerosols).
- Aerosols play an essential role in the atmosphere, e.g. because of their negative health effects, as they can cause damage to buildings, cloud visibility, influence climate change and, particularly in the case of particles resulting from volcanic eruptions, can endanger air traffic.
- Another way to obtain particle-specific information is to measure not only the elastically scattered light, but also fluorescent light. This is mainly done for the detection of bioaerosols, e.g. in WO 2005/029046 A2. There, a combination of elastic scattered light measurement, fluorescence measurement and time of flight measurement is described, which allows a fairly broad characterization of aerosol particles, including measurement of mass, density, etc. However, such a method is limited in its applications to certain types of particles.
- DE 102007021 452 A1 describes a method and a device for detecting particles of specific particle size.
- an aerosol to be examined is irradiated with a first wavelength, which is smaller than the size of the particle to be detected, and a second wavelength, which is greater than the size of the particles to be detected.
- the light scattered by the aerosol is detected for the two wavelengths and from detected signal differences, it is concluded that there are precursors of particles of the specific particle size.
- the method described uses the dependence of the scattering properties on the particle size and only works if the refractive index does not change between the different particles examined.
- the measuring device shown in DE 102009046279 A1 is based on a similar functional principle which is dependent on the particle size for determining the particle mass concentration in a sample gas.
- the measuring device has a measuring gas channel for receiving the measuring gas, radiation sources for generating light beams of different wavelengths, detection means for determining the portions of the light beams of different wavelengths scattered in the measuring gas channel and a computing unit for determining the particle mass concentration from the determined portions of the scattered light beams.
- the wavelengths of the light rays are determined on the basis of the size of the types of particles to be determined, and it is assumed that the particle types to be measured are known, so that characteristic curves can be generated and stored in the measuring device.
- US 2015/0120092 A1 shows a system for detecting water and / or ice, or methods for distinguishing ice and water droplets. It exploits the fact that the absorption behavior of liquid water is reversed with respect to that of ice at a wavelength of 2.15 ⁇ m by illuminating a measuring area with light in the wavelength range between 2.05-2.3 ⁇ m, the radiation or reflection from the measuring area in the wavelength ranges 2.05-. 2.15 ⁇ and 2.15-2.3 microns is measured and a ratio between the two signals thus generated is formed.
- this method it is possible, if appropriate with the determination and inclusion of further quantities (temperature, reflection coefficient, radius of water drops), to distinguish ice particles, liquid water drops and supercooled water drops. A Identification or differentiation of further particle types is not possible.
- No. 8666 S70 Bl shows methods for the detection of suspended particles, in particular volcanic ash, outside an aircraft.
- an area is illuminated with light and the intensity of the backscattered light as well as the rate of change of the intensity is determined.
- the aircraft enters a cloud of volcanic ash.
- these methods are designed for marginal regions in clouds of volcanic ash or water.
- the finding is exploited that the light scattering capacity of a particle is significantly dependent on the wavelength of the incident light and on the particle properties, even with elastic light scattering.
- the wavelength of the emitted light is the same as that of the incident light.
- Wavelength dependent measurements in the transmitted light method i.e., the extinction principle
- these approaches do not work a priori, since the transmitted light method does not produce satisfactory results and backscattered radiation does not directly derive from a transition between different excited states of matter.
- the elastic scattering properties as a function of the wavelength are described by Mie theory, which takes into account the particle size and the wavelength-dependent complex refractive index. In particular, the particle size, unknown in individual cases and varying above an aerosol, is critical.
- a method for measuring a property of particles of an aerosol suspended in a carrier gas comprises the following steps:
- the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one particle type potentially occurring in the aerosol, in particular by at least one of the following measures being taken:
- the defined wavelength (eg 2750 nm) or one of the defined wavelengths is chosen so that the light scattering capacity of a particular type of particle is particularly deep or particularly high compared to another type of particle, for example with a standard particle size of 4 ⁇ m diameter (eg with an apparatus according to the standard ISO 21501-1: 2009 measured) and an angle of 150 ° between the primary light beam direction and the direction of the backscattered light (scattering angle) ⁇ m at least a factor of 5 lower or at least a factor of 5 higher than an average over another Wavelength range, eg between 400 nm and 800 nm.
- a standard particle size of 4 ⁇ m diameter eg with an apparatus according to the standard ISO 21501-1: 2009 measured
- an angle of 150 ° between the primary light beam direction and the direction of the backscattered light (scattering angle) ⁇ m at least a factor of 5 lower or at least a factor of 5 higher than an average over another Wavelength range, eg between 400 nm and 800
- the defined wavelength or one of the defined wavelengths is 2.75 ⁇ m ⁇ 0.3 ⁇ m, 1.9 ⁇ m ⁇ 0.2 ⁇ m or 5.9 ⁇ m ⁇ 0.4 ⁇ m (at these wavelengths the light scattering capacity of water and ice particles is particularly deep).
- the primary radiation contains portions of at least two wavelengths, and determining the characteristic from the measurement signal includes a comparison of the light scattering intensities for the two For example, forming a ratio of the light scattering intensities at both wavelengths.
- the wavelengths can be selected so that the light scattering intensities differ with a standard particle size of 4 microns diameter and a scattering angle of 150 ° at least one particle species by at least a factor of 5, at least a factor of 10 or even at least a factor of 20.
- the said characteristic wavelength can be a characteristic wavelength of a material from which particles of this (first) particle type are largely, essentially, for example, except for impurities, also in the form of crystallization nuclei.
- the at least one particle type potentially occurring in the aerosol, which defines the characteristic wavelength comprises a material, wherein the characteristic wavelength is a characteristic wavelength of this material.
- This material may in particular be water (in solid and / or liquid form).
- a threshold can be defined and the characteristic wavelength can be distinguished by the fact that the measurement signal (scatter intensity or size derived therefrom, eg according to measure C a ratio of scattering intensities) of the at least one particle species potentially occurring in the aerosol, which via its material characteristic wavelength is within a range of particle sizes regardless of the particle size below or above the threshold
- a size range may, for example, be a range between 1 and 10 ⁇ m, or between 2 and 20 ⁇ m.
- such a threshold can be determined, and the determination of the property can be based on the fact that the measurement signal, which of a particle of the second potentially occurring particle type within a range of particle sizes (eg ash or smoke particles), regardless of the particle size above the threshold is when the corresponding measurement signal of a particle of the first potentially occurring particle type (water or ice particles) is below the detection threshold.
- a particle of the second potentially occurring particle type within a range of particle sizes (eg ash or smoke particles)
- the determination of the property can be based on the fact that the measurement signal, which of a particle of the second potentially occurring particle type within a range of particle sizes (eg ash or smoke particles), regardless of the particle size above the threshold is when the corresponding measurement signal of a particle of the first potentially occurring particle type (water or ice particles) is below the detection threshold.
- the threshold can optionally be used as a discrimination threshold, i. Scattered light pulses whose intensity (or ratio of intensities) are below the measurement threshold are discarded.
- the characteristic wavelength in Ausffihrungsformen can be characterized by at least one of the following properties:
- the imaginary part of the refractive index of said material or the derivative of the imaginary part of the refractive index of said Material by wavelength shows a local extremum at the characteristic wavelength.
- said material of the first particle type is water in solid and / or liquid form.
- the approach according to the invention is therefore based on the fact that the wavelength dependence of the elastic light scattering capacity of particles is used, not as known from the prior art for determining the particle size (it is logical that the particle size is due to physical laws critical in the light scattering ability), but it is used in generally unknown Orössenverotti the quite surprising property that even with elastic scattering, the material composition, so ultimately the chemical properties, critical into the Lichtstreuhack - although by elastic scattering by definition, no transitions in the scattering material be generated.
- Measure A mentioned above may mean that a search for a range of maximum or minimum light scattering capacity is carried out for a particle of interest - either of particular interest in the measurement or, on the contrary, to be hidden.
- This can be done purely experimentally by tuning a wavelength range using a standard sample and / or computationally and / or in combination. For example, after minima or maxima of the real part n of the refractive index or the ratio (nl) / k, where k is the imaginary part of the Refractive indices is to be searched. For very small particles, the size ((n 2 -l) / (n 2 + 2)) 2 determining Rayleigh scattering may also be of interest. If one of these magnitudes is maximal or minimal, the light scattering power of the particles of interest at this wavelength can be experimentally compared with an average but the said wavelength range.
- the wavelength can be in the range 2.75 ⁇ m ⁇ 0.3 ⁇ m, in particular 2.75 ⁇ m ⁇ 0.2 ⁇ m, especially 2.75 ⁇ m ⁇ 0.1 ⁇ m, or in the range 1.9 ⁇ m ⁇ 0.2 ⁇ m, in particular 1.9 ⁇ m ⁇ 0.1 ⁇ m, or in the range 5.9 ⁇ m ⁇ 0.4 microns, in particular 5.9 microns ⁇ 0.2 microns, in reality, the light as known from monochromatic radiation, of course, has a finite line width, ie covering a narrow wavelength range compared to "white" light, for example, the line width may be at most 10% or 8% or 5% or 3% of the central wavelength.
- the light scattering capacity of volcanic ash and other typical particles is average to large and the light scattering capacity of water and ice particles is particularly low.
- the light scattering angle will be unequal to 0 (ie, it will not be measured in the transmitted light method), and preferably it will be greater than 90 °, ie, the backscattering will be measured.
- Measuring methods that work with several wavelengths are not new. They are used in the already mentioned above application WO 2005/029046 A2; It is also known to use corresponding measurements to obtain information on the refractive index. According to this approach of the invention, however, the two measured quantities are now compared quantitatively - for example by ratio formation - in order to use targeted differences in the wavelength dependence of the light scattering capacity of different particles.
- the measured property - this concerns the invention in general and potentially all possible measures discussed here - may include:
- a measure of the concentration of selective particles for example the.
- Number or mass concentration o
- a measure of the concentration is sufficient, which may depend both on the mass and on the number, and from which a precise numerical determination of the number concentration or total mass is not necessarily possible).
- the process is selective, taking into account certain types of particles more than others; In particular, on the one hand particles of volcanic origin and on the other water / ice particles can be considered differently, or the method can be particularly selective for particles containing a particular element or mineral.
- the method can include providing a detection volume and conveying the aerosol to be characterized by the detection volume, for example by active pumping means or by utilizing a flow, for example the travel wind in the aircraft or a vehicle.
- the size of the detection volume and the flow conditions may be chosen such that the method is based on single particle counting, i. with each particle flying through the detection volume, a scattered light measurement is performed (each particle generates a scattered light pulse).
- the absolute intensity at one wavelength can also be used to determine the particle size and, if appropriate, the mass, as made standard in optical particle counters or particle spectrometers.
- the mass concentration can then be determined from the measurement results of many particles.
- the detection volume can be significantly increased, so that no single pulses, but a continuous or only slightly pulsating signal is generated. Then, the integral scattered light intensity can be measured, i. the measurement is summed over many particles.
- the detection volume for the first option may be about 1 mm 3 , and for the second option about 1 cm 3 .
- the optimum depends on the aerosol concentration and can be determined in the experiment if necessary, by adaptation until a desired Lichtstreuintensticiansverlauf results
- the absolute intensity at one wavelength can optionally be used to obtain additional information about the absolute concentration (eg mass concentration).
- the adjustment of the measuring volume according to the first or second option can be done with known means (focusing, etc.) and adaptation until the desired result (individual pulses or continuous signal) is reached.
- the method can also be carried out as a LIDAR measurement, ie the primary radiation is directed to the aerosol, which is located in a not necessarily precisely defined, even more remote distance.
- the LIDAR measurement may differ from that with a defined local detection volume in that the light beam of the primary radiation is parallel (eg collinear) for detecting scattered radiation. The scattering angle is thus in essence 180 °. The method then works even with distant particles; the particles do not have to be in a defined measuring volume.
- the distance of the light-scattering particles from the measuring arrangement can optionally also be determined by methods known per se; From this, together with information about the light scattering intensity, it is also possible to make a statement about particle (measurement) concentrations.
- An apparatus for measuring a property of aerosol particles suspended in a carrier gas comprises:
- the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one potentially occurring in the aerosol particle type.
- apparatus may include means for performing any of the embodiments of the method described herein.
- inventions of the inventive method include in particular the selective detection of volcanic ash and their distinction of water and ice particles, for example.
- At high altitude in particular in or on airplanes on a weather balloon or in a measuring station in the mountains, for example. Of at least 3000 m.ü .M.
- the device may be positioned to measure a property of particles of an aerosol suspended within a carrier gas within the aircraft, for example within the fuselage or in a wing, the measurement being through a window, such as sapphire glass.
- the device can be set up for single particle counting or single particle analysis, and / or for the use of a method which is based on an integral scattered light intensity. Furthermore, the device may be arranged such that measurements on one or more aerosols are possible in the near or far region of the device.
- volume defined for example by the beam path and / or the beam characteristic of the radiated primary radiation and in its volume for the individual particle count, or Single particle analysis, be set up.
- the device positioned within the aircraft may be used in combination with a local, flow-through detection volume located within the aircraft, particularly in the vicinity of the device.
- a local, flow-through detection volume located within the aircraft, particularly in the vicinity of the device.
- This allows the use of a method which is based on single particle counting, or single particle analysis, in particular in the vicinity of the radiation source.
- the use of a method which is based on an integral scattered light intensity is possible even if there is a local, throughflowed detection volume.
- mount the device outside the aircraft for example in a nacelle.
- the nacelle may for example be mounted below a wing.
- the device can be set up for single particle counting, or for single particle analysis, and / or for the use of a method which is based on an integral scattered light intensity.
- the detection volume can in turn be located in the outer area of the nacelle, or of the aircraft, or in a local, traversed detection volume.
- the device may be arranged such that measurements on an aerosol in the near or far region of the aircraft Device are possible.
- wavelengths By choosing different wavelengths, other materials can also be selectively detected. It is also not limited to two wavelengths, the use of more than two wavelengths can further increase the selectivity or simultaneously several different substances can be detected. It is It is conceivable that different types of mineral dust can be distinguished: hematite-containing particles scatter red light more strongly than limonite or quartzite-containing particles.
- FIG. 2 shows the ratio of scattering intensities at 660 nm and 2750 nm wavelength as a function of the particle size for different materials
- FIG. 3 shows a construction of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a defined measuring volume
- FIG. 4 shows a structure of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention in the LIDAR method
- Fig. 1 shows as an example the complex refractive index of water in function of the wavelength ⁇ .
- the imaginary part k is logarithmically plotted, in the upper part the real part n on a linear scale.
- the complex refractive index changes greatly. Since the intensity of the scattered light depends on the refractive index, the ratio of the scattering intensity at this wavelength to another is a specific feature for water or ice.
- Fig. 2 shows the ratio of scattering intensities at 0.66 and 2.75 microns wavelength as a function of particle size for water and various mineral particles.
- the curves represent: 101 water, 102 African mineral dust, 103: andesite, 104: basalt, 105 volcanic ash, 106: sand, 107: pumice stone.
- FIG. 1 A possible construction for a measuring apparatus is shown in FIG.
- the beams of an IR laser 3 and a visible laser 1 are focused by two mirrors 9 on the same detection volume 6 (typically a few mm 3 , ie, for example, between 1 mm 3 and 100 mm 3 ).
- the optics of two detectors (7 visible) and 8 for IR light) is also directed to this volume.
- the detectors are wavelength-selective, ie they contain, for example, a bandpass filter which is adapted in each case to the wavelength of the primary radiation.
- An airflow 5 passes through this Volume. A particle that flies through the volume with the air stream 5 simultaneously generates a scattered light pulse in both detectors.
- the measurement signals are fed to an evaluation unit 20 and evaluated there, by deducing from the measurement signals at least one property of the aerosol.
- the evaluation unit may include a dedicated control electronics of the detectors and / or generic data processing means (computer). Not all elements of the evaluation unit must physically be present in the same location, and also approaches with arranged at different locations, via signal and / or data processing connections interconnected subunits are conceivable.
- the intensity ratio is determined and used to assign the associated particle to a category (water or mineral).
- the absolute intensity at one wavelength can then optionally be used to determine the particle size and optionally the mass, as is done by default in optical particle counters or particle spectrometers.
- the mass concentration can then be determined from the measurement results of many particles.
- the detection volume can also be significantly increased, so that at the same time there is a larger number of particles which generate a continuous or only slightly pulsating scattered light signal, which is then evaluated. The selection is made again from the intensity ratio, the particle size is no longer detectable.
- the integral intensity can also be used to estimate the mass concentration.
- the scattering angle (angle between incident light and light detected by the detector, in the example shown is ⁇ for the visible light and ⁇ for the IR light, the scattering angle is defined in this text so that a scattering angle of 180 ° of a backscatter back in the direction from which the primary radiation comes) corresponds to a parameter that can be optimized so that the desired selectivity is as large as possible.
- an optional multi-angle measurement can additionally provide size information.
- only one light source and only one detector are used, for example at a wavelength of 2.75 ⁇ m, which results in a construction which is comparatively less sensitive to water / ice particles.
- Another possible embodiment which allows remote measurement as LIDAR, Fig.4.
- the beams of the IR laser 3 and the visible laser 1 are brought into coincidence via a semitransparent mirror 12, so that a parallel beam with both wavelengths is formed.
- the light backscattered by a particle cloud 14 is fed via a further semitransparent mirror 13 and the two mirrors 10 and 11 to the two detectors 7 and 8.
- the lasers are pulsed in this case, so that the distance of the particle cloud or its density profile can be determined via a transit time measurement.
- FIG. 4 can alternatively be designed only with a light source and a detector and measure, for example, at a wavelength of 2.75 ⁇ m.
- FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention which is similar to the embodiment shown in FIG. 3 and which is particularly suitable for measurements through a window 13.
- the window 13 is integrated, for example, in the aircraft skin of an aircraft, for example in the region of the aircraft fuselage or in the region of a wing.
- the window 13 can also be part of a gondola of the type described above, for example.
- the beams of an IR laser 3 and a visible laser 1 are combined into a beam via a first dielectric mirror 9.1 and by means of a mirror 10 onto a common detection volume 6 (typically a few mm 3 , ie, for example 1 mm 3 and 100 mm 3 ) Focused
- the optics of two detectors (7 for visible and 8 for IR light) is also directed to this volume
- the detectors are again wavelength-selective, ie they contain, for example, one on the wavelength of the primary radiation adapted bandpass filter.
- the light scattered by the particles is directed by means of a parabolic mirror 11 onto a second dielectric mirror 9.2, which transmits the visible light and reflects the IR radiation.
- the mirrors, lasers and detectors may be separated from the airflow by a wall 12 and the light rays are guided through sapphire glass optical windows 13.
- the measurement signals are in turn supplied to an evaluation unit 20 and evaluated there, by inferring from the measurement signals on at least one property of the aerosol.
- the evaluation unit may include a dedicated control electronics of the detectors and / or generic data processing means (computer). Not all elements of the evaluation unit must physically be present in the same location, and also approaches with arranged at different locations, via signal and / or data processing connections interconnected subunits are conceivable.
- the scattering angle (angle between incident light and light detected by the detectors, in the example shown, ⁇ for the visible light and the IR light, the scattering angle is defined in this text such that a scattering angle of 180 ° of a backscatter back in the direction from which the primary radiation comes) corresponds to a parameter that can be optimized so that the desired selectivity is as large as possible.
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Abstract
Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR DETEKTION VON METHOD AND DEVICE FOR DETECTING
AEROSOLPARTIKELN AEROSOL PARTICLES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Bestimmung einer bestimmten Klasse von in einem Trägergas suspendierten Partikeln (Aerosolen). The invention relates to a method and a device for the selective determination of a certain class of particles suspended in a carrier gas (aerosols).
Aerosole spielen in der Atmosphäre eine wesentliche Rolle, z.B. wegen ihrer negativen Auswirkungen auf die Gesundheit, weil sie Schäden an Gebäuden hervorrufen können, die Sichtweite trüben, einen Einfluss auf die Klimaveränderung ausüben, und - insbesondere im Fall von Partikeln, die von Vulkanausbrüchen stammen - , den Luftverkehr gefährden können. Aerosols play an essential role in the atmosphere, e.g. because of their negative health effects, as they can cause damage to buildings, cloud visibility, influence climate change and, particularly in the case of particles resulting from volcanic eruptions, can endanger air traffic.
In den Höhen, in der der Luftverkehr stattfindet, finden sich häufig Wassertröpfchen bzw. Eiskristalle, die die gleichen Grössen aufweisen können wie die Vulkanpartikel. Ein Verfahren zur Detektion und quantitativen Messung von Vulkanpartikeln muss also diese von Wasser- oder Eispartikeln unterscheiden können. Ein ähnliches Bedürfnis existiert im Zusammenhang mit anderen Aerosolen, beispielsweise bei der Messung von besonders gesundheitsgefährdenden lungengängigen Partikeln. Auch dort muss man die schädlichen Partikel von unschädlichen Wasser- oder Salzpartikeln unterscheiden können. Es gibt bereits Geräte, mit denen versucht wird dieses Ziel zu erreichen, die auf Lichtstreuung beruhen. Diese nutzen aus, dass bei Lichtstreuung an kugelförmigen Partikeln die Polarisation erhalten bleibt, bei anderen Geometrien aber ganz oder teilweise verloren geht (beispielsweise H. Kobayashi et al., Developement of a polarzation optica! particle counter..., Atmospheric Environment 97, 486-492, 2014). Wenn polarisiertes Licht eingestrahlt wird, kann demzufolge aus der Messung des Polarisationsgrades des gestreuten Lichtes eine gewisse Selektion vorgenommen werden, da die Wassertropfen kugelförmig sind, die Vulkanpartikel jedoch nicht immer. Dieses Verfahren ist bei der Diskriminierung von Eis problematisch, da diese Kristalle in der Regel nicht sphärisch sind. Dieses Konzept wird in US 2014/0330459 AI und US 8,724,099 B2 beschrieben. Während im ersten Fall die Messung auf eine sehr kurze Distanz gemacht wird, wird im zweiten ein Doppler- Light detection and ranging- (LID AR-) System gezeigt, das zusätzlich zur üblichen Signalauswertung dieser Systeme auch noch die Depolarisation bestimmt At the altitudes where air traffic takes place, there are often water droplets or ice crystals that can be of the same size as volcanic particles. A method for the detection and quantitative measurement of volcanic particles must be able to distinguish these from water or ice particles. A similar need exists in connection with other aerosols, for example in the measurement of particularly health-endangering respirable particles. There too, one must be able to distinguish the harmful particles from harmless water or salt particles. There are already devices that are trying to achieve this goal based on light scattering. These exploit the fact that polarization is retained in the case of light scattering on spherical particles, but is completely or partially lost in other geometries (for example, H. Kobayashi et al., Developement of a polarization optica! Particle counter ..., Atmospheric Environment 97, 486 -492, 2014). Accordingly, when polarized light is irradiated, a certain selection can be made from the measurement of the degree of polarization of the scattered light because the water droplets are spherical, but the volcanic particles are not always. This method is problematic in the discrimination of ice, since these crystals are usually not spherical. This concept is described in US 2014/0330459 AI and US 8,724,099 B2. While in the first case the measurement is made at a very short distance, in the second a Doppler light detection and ranging (LID AR) system is shown, which also determines the depolarization in addition to the usual signal evaluation of these systems
Eine weitere Möglichkeit, partikelspezifische Information zu erhalten, ist nicht nur das elastisch gestreute Licht zu messen, sondern auch Fluoreszenzlicht. Dies wird vor allem zur Detektion von Bioaerosolen gemacht, z.B. in WO 2005/029046 A2. Dort ist eine Kombination von elastischer Streulichtmessung, Fluoreszenzmessung und Flugzeitmessung beschrieben, die eine recht breite Charakterisierung von Aerosolpartikeln erlaubt, inklusive Messung der Masse, der Dichte, etc. Ein solches Verfahren ist jedoch in seinen Anwendungen beschränkt auf bestimmte Partikelsorten. Another way to obtain particle-specific information is to measure not only the elastically scattered light, but also fluorescent light. This is mainly done for the detection of bioaerosols, e.g. in WO 2005/029046 A2. There, a combination of elastic scattered light measurement, fluorescence measurement and time of flight measurement is described, which allows a fairly broad characterization of aerosol particles, including measurement of mass, density, etc. However, such a method is limited in its applications to certain types of particles.
DE 102007021 452 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln bestimmter Partikelgrösse. Dazu wird ein zu untersuchendes Aerosol mit einer ersten Wellenlänge, die kleiner als die Grösse der festzustellenden Partikel ist, und einer zweiten Wellenlänge, die grösser als die Grösse der festzustellenden Partikel ist, bestrahlt. Das am Aerosol gestreute Licht wird für die beiden Wellenlangen detektiert und aus dctckticrten Signalunterschieden wird auf das Vorbandensein von Partikeln der bestimmten Partikelgrösse geschlossen. Das beschriebene Verfahren verwendet die Abhängigkeit der Streueigenschaften von der Partikelgrösse und funktioniert nur, wenn sich der Brechungsindex zwischen den verschiedenen untersuchten Partikeln nicht ändert. DE 102007021 452 A1 describes a method and a device for detecting particles of specific particle size. For this purpose, an aerosol to be examined is irradiated with a first wavelength, which is smaller than the size of the particle to be detected, and a second wavelength, which is greater than the size of the particles to be detected. The light scattered by the aerosol is detected for the two wavelengths and from detected signal differences, it is concluded that there are precursors of particles of the specific particle size. The method described uses the dependence of the scattering properties on the particle size and only works if the refractive index does not change between the different particles examined.
Auf einem ähnlichen, von der Partikelgrösse abhängigen Funktionsprinzip beruht das in DE 102009046279 AI gezeigte Messgerät zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in einem Messgas. Das Messgerät weist einen Messgaskanal zur Aufnahme des Messgases, Strahlungsquellen zur Erzeugung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, Detektionsmittel zur Bestimmung der im Messgaskanal gestreuten Anteile der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge und eine Recheneinheit zur Bestimmung der Partikelmassenkonzentration aus den bestimmten Anteilen der gestreuten Lichtstrahlen. Die Wellenlängen der Lichtstrahlen werden aufgrund der Grösse der zu bestimmenden Partikelarten festgelegt, und es wird vorausgesetzt, dass die zu messenden Partikelarten bekannt sind, so dass Kennlinien erzeugt und im Messgerät hinterlegt werden können. The measuring device shown in DE 102009046279 A1 is based on a similar functional principle which is dependent on the particle size for determining the particle mass concentration in a sample gas. The measuring device has a measuring gas channel for receiving the measuring gas, radiation sources for generating light beams of different wavelengths, detection means for determining the portions of the light beams of different wavelengths scattered in the measuring gas channel and a computing unit for determining the particle mass concentration from the determined portions of the scattered light beams. The wavelengths of the light rays are determined on the basis of the size of the types of particles to be determined, and it is assumed that the particle types to be measured are known, so that characteristic curves can be generated and stored in the measuring device.
US 2015/0120092 AI zeigt ein System zur Detektion von Wasser und/oder Eis, beziehungsweise Methoden zur Unterscheidung von Eis und Wassertropfen. Dabei wird ausgenützt, dass sich das Absorptionsverhalten von flüssigem Wasser gegenüber demjenigen von Eis bei einer Wellenlänge von 2.15 μm umkehrt, indem ein Messgebiet mit Licht im Wellenlängenbereich zwischen 2.05-2.3 μm beleuchtet wird, die Strahlung oder Reflexion aus dem Messgebiet in den Wellenlängenbereichen 2.05-2.15 μαι und 2.15-2.3 μm gemessen wird und ein Verhältnis zwischen den beiden so erzeugten Signalen gebildet wird. Mit diesem Verfahren lässt sich, gegebenenfalls unter Bestimmung und Einbezug weiterer Grössen (Temperatur, Reflektionskoeffizient, Radius von Wassertropfen) Eispartikel, flüssige Wassertropfen und unterkühlte Wassertropfen unterscheiden. Eine Identifizierung beziehungsweise Unterscheidung weiterer Partikelarten ist nicht möglich. US 2015/0120092 A1 shows a system for detecting water and / or ice, or methods for distinguishing ice and water droplets. It exploits the fact that the absorption behavior of liquid water is reversed with respect to that of ice at a wavelength of 2.15 μm by illuminating a measuring area with light in the wavelength range between 2.05-2.3 μm, the radiation or reflection from the measuring area in the wavelength ranges 2.05-. 2.15 μαι and 2.15-2.3 microns is measured and a ratio between the two signals thus generated is formed. With this method it is possible, if appropriate with the determination and inclusion of further quantities (temperature, reflection coefficient, radius of water drops), to distinguish ice particles, liquid water drops and supercooled water drops. A Identification or differentiation of further particle types is not possible.
US 8666S70 Bl zeigt Verfahren zur Detektion von Schwebepartikeln, insbesondere Vulkanasche, ausserhalb eines Flugzeugs. In diesen Verfahren wird ein Gebiet mit Licht beleuchtet und die Intensität des zurückgestreuten Lichts sowie die Änderungsrate der Intensität wird bestimmt. Darauf basierend und gegebenenfalls durch Einbezug weiterer Parameter wie Flughöhe, Wetterprognosen etc., wird abschätzt, ob das Flugzeug in eine Wolke aus Vulkanasche tritt. Damit sind diese Verfahren auf Randregionen in Wolken aus Vulkanasche oder Wasser ausgelegt. No. 8666 S70 Bl shows methods for the detection of suspended particles, in particular volcanic ash, outside an aircraft. In these methods, an area is illuminated with light and the intensity of the backscattered light as well as the rate of change of the intensity is determined. On this basis, and possibly by including further parameters such as flight altitude, weather forecasts, etc., it is estimated whether the aircraft enters a cloud of volcanic ash. Thus, these methods are designed for marginal regions in clouds of volcanic ash or water.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile und Limitierungen des bekannten Standes der Technik überwinden und welche insbesondere geeignet sind, rasch, insbesondere in Echtzeit, Vulkanasche oder potentiell gesundheitsschädliche Aerosolpartikel von Wasser- oder Eispartikeln zu unterscheiden. It is an object of the present invention to provide a measuring method and a corresponding device which overcome the disadvantages and limitations of the known prior art and which are particularly suitable, rapidly, especially in real time, volcanic ash or potentially harmful aerosol particles of water or ice particles to distinguish.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist. This object is achieved by the invention as defined in the patent claims.
Gemäss einem der Erfindung zugrunde liegenden Konzept wird die Erkenntnis ausgenützt, dass das Lichtstreuvermögen eines Partikels markant von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes und von den Partikeleigenschaften abhängig ist, und zwar auch bei elastischer Lichtstreuung. Bei der elastischen Lichtstreuung ist die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts gleich gross wie die des eingestrahlten Lichts. In der Literatur gibt es viele Ansätze, welche auf spektroskopischen oder ähnlichen Verfahren beruhen und Materie - auch in Teilchenform - anhand der Absorptionsoder Emissionseigenschaften charakterisieren. AU diese Ansätze beruhen darauf, dass die Wechselwirkung zwischen der Materie und absorbierter oder emittierter Strahlung aufgrund der Quantisierung der Zustände wellenlängenabhängig ist. According to one of the underlying concept of the invention, the finding is exploited that the light scattering capacity of a particle is significantly dependent on the wavelength of the incident light and on the particle properties, even with elastic light scattering. In the case of elastic light scattering, the wavelength of the emitted light is the same as that of the incident light. There are many approaches in the literature which are based on spectroscopic or similar methods and characterize matter - also in particulate form - on the basis of absorption or emission properties. These approaches are based on the fact that the interaction between matter and absorbed or emitted radiation is wavelength-dependent due to the quantization of the states.
Wellenlängenabhängige Messungen im Durchlichtverfahren (d.h. nach dem Extinktionsprinzip) und an Proben mit definierten geometrischen Eigenschaften sind bekannt. Bei elastischer Lichtstreuung an Aerosolpartikeln funktionieren diese Ansätze nicht a priori, da das Durchlichtverfahren keine befriedigenden Ergebnisse zeitigt und rückgestreute Strahlung nicht direkt von einem Obergang zwischen verschiedenen Anregungszuständen der Materie herrührt. Für sphärische Partikel werden die elastischen Streueigenschaften in Funktion der Wellenlänge durch Mie- Theorie beschrieben, welche die Partikelgrösse und den wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindex berücksichtigt. Insbesondere die - im Einzelfall unbekannte und Ober ein Aerosol variierende - Partikelgrösse geht kritisch ein. Wavelength dependent measurements in the transmitted light method (i.e., the extinction principle) and on samples with defined geometric properties are known. With elastic light scattering on aerosol particles, these approaches do not work a priori, since the transmitted light method does not produce satisfactory results and backscattered radiation does not directly derive from a transition between different excited states of matter. For spherical particles, the elastic scattering properties as a function of the wavelength are described by Mie theory, which takes into account the particle size and the wavelength-dependent complex refractive index. In particular, the particle size, unknown in individual cases and varying above an aerosol, is critical.
Es ist eine Erkenntnis der Erfindung, dass trotzdem auch für Aerosole wellenlängenabhängige Messungen von Interesse sind, wenn die an Partikeln elastisch gestreute Strahlung verwendet wird - und dies obwohl die Lichtstreuung kritisch von der Partikelgrösse und Partikelform abhängt und diese Partikelgrösse und Partikelform in einem Aerosol stark variiert und a priori unbekannt ist. It is a finding of the invention that wavelength-dependent measurements are nevertheless also of interest for aerosols when the radiation elastically scattered on particles is used - even though the light scattering critically depends on the particle size and particle shape and this particle size and particle shape varies greatly in an aerosol and is unknown a priori.
Ein Verfahren zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas suspendierten Partikeln eines Aerosols weist die folgenden Schritte auf: A method for measuring a property of particles of an aerosol suspended in a carrier gas comprises the following steps:
- Einstrahlen von elektromagnetischer primärer Strahlung von einer definierten Wellenlänge oder von mehreren definierten Wellenlängen auf das Trägergas; Generieren eines Messsignals durch Messung von an den Partikeln elastisch gestreuten Anteilen der primären Strahlung; - Injecting electromagnetic primary radiation of a defined wavelength or of a plurality of defined wavelengths on the carrier gas; Generating a measurement signal by measuring proportions of primary radiation elastically scattered on the particles;
Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal; Determining the property from the measurement signal;
Wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen auf eine charakteristische Wellenlänge mindestens einer im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte abgestimmt ist, insbesondere indem mindestens eine der folgenden Massnahmen getroffen wird: Wherein the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one particle type potentially occurring in the aerosol, in particular by at least one of the following measures being taken:
A. Die definierte Wellenlänge (bspw.2750 nm) bzw. eine der definierten Wellenlängen ist so gewählt, dass das Lichtstreuvermögen einer bestimmten Partikelsorte besonders im Vergleich zu einer anderen Partikelsorte tief oder besondere hoch ist, beispielsweise bei einer Standardpartikelgrösse von 4 μm Durchmesser (bspw. mit einem Gerät gemäss der Norm ISO 21501-1:2009 gemessen) und einem Winkel von 150° zwischen Primärlichtstrahlrichtung und Richtung des rückgestreuten Lichts (Streuwinkel) μm mindestens einen Faktor 5 tiefer oder um mindestens einen Faktor 5 höher als ein Durchschnitt über einen anderen Wellenlängenbereich, z.B. zwischen 400 nm und 800 nm. A. The defined wavelength (eg 2750 nm) or one of the defined wavelengths is chosen so that the light scattering capacity of a particular type of particle is particularly deep or particularly high compared to another type of particle, for example with a standard particle size of 4 μm diameter (eg with an apparatus according to the standard ISO 21501-1: 2009 measured) and an angle of 150 ° between the primary light beam direction and the direction of the backscattered light (scattering angle) μm at least a factor of 5 lower or at least a factor of 5 higher than an average over another Wavelength range, eg between 400 nm and 800 nm.
B. Die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen beträgt 2.75 μm ± 0.3 μm, 1.9 μm ± 0.2 μηι oder 5.9 μm ± 0.4 μm (bei diesen Wellenlängen ist das Lichtstreuvermögen von Wasser- und Eispartikeln besonders tief). B. The defined wavelength or one of the defined wavelengths is 2.75 μm ± 0.3 μm, 1.9 μm ± 0.2 μm or 5.9 μm ± 0.4 μm (at these wavelengths the light scattering capacity of water and ice particles is particularly deep).
C. Die primäre Strahlung enthält Anteile von mindestens zwei Wellenlängen, und das Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal enthält einen Vergleich der Lichtstreuintensitäten bei den beiden Weilenlangen, beispielsweise die Bildung eines Verhältnisses der Lichtstreuintensitaten bei beiden Wellenlängen. C. The primary radiation contains portions of at least two wavelengths, and determining the characteristic from the measurement signal includes a comparison of the light scattering intensities for the two For example, forming a ratio of the light scattering intensities at both wavelengths.
" Insbesondere können die Wellenlängen so gewählt sein, dass sich die Lichtstreuintensitäten bei einer Standardpartikelgrösse von 4 μm Durchmesser und einem Streuwinkel von 150° bei mindestens einer Partikelsorte um mindestens einen Faktor 5, mindestens einen Faktor 10 oder gar mindestens einen Faktor 20 unterscheiden. "In particular, the wavelengths can be selected so that the light scattering intensities differ with a standard particle size of 4 microns diameter and a scattering angle of 150 ° at least one particle species by at least a factor of 5, at least a factor of 10 or even at least a factor of 20.
Insbesondere kann die besagte charakteristische Wellenlänge eine charakteristische Wellenlänge eines Materials sein, aus welchem Partikel dieser (ersten) Partikelsorte weitestgehend, im Wesentlichen, bspw. bis auf Verunreinigungen, auch in Form von Kristallisationskeimen, bestehen. In anderen Worten: Die mindestens eine im Aerosol potentiell vorkommende Partikelsorte, welche die charakteristische Wellenlänge definiert, weist ein Material auf, wobei die charakteristische Wellenlänge eine charakteristische Wellenlänge dieses Materials ist. In particular, the said characteristic wavelength can be a characteristic wavelength of a material from which particles of this (first) particle type are largely, essentially, for example, except for impurities, also in the form of crystallization nuclei. In other words, the at least one particle type potentially occurring in the aerosol, which defines the characteristic wavelength, comprises a material, wherein the characteristic wavelength is a characteristic wavelength of this material.
Dieses Material kann insbesondre Wasser (in fester und/oder flüssiger Form) sein. This material may in particular be water (in solid and / or liquid form).
Optional kann eine Schwelle definiert sein, und die charakteristische Wellenlänge kann sich dadurch auszeichnen, dass das Messsignal (Streuintensität oder daraus abgeleitete Grösse, bspw. gemäss Massnahme C ein Verhältnis von Streuintensitäten) der mindestens einen im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte, welche Uber ihr Material die charakteristische Wellenlänge definiert, innerhalb eines Bereichs von Partikelgrössen unabhängig von der Partikelgrösse unterhalb oder oberhalb der Schwelle liegt Ein solcher Grössenbereich kann bspw. ein Bereich zwischen 1 und 10 μm, beziehungsweise zwischen 2 und 20 μm sein. Optionally, a threshold can be defined and the characteristic wavelength can be distinguished by the fact that the measurement signal (scatter intensity or size derived therefrom, eg according to measure C a ratio of scattering intensities) of the at least one particle species potentially occurring in the aerosol, which via its material characteristic wavelength is within a range of particle sizes regardless of the particle size below or above the threshold Such a size range may, for example, be a range between 1 and 10 μm, or between 2 and 20 μm.
Gemäss Ausführungsformen kann insbesondere eine solche Schwelle festgelegt werden, und das Ermitteln der Eigenschaft kann darauf beruhen, dass das Messsignal, welches von einem Partikel der zweiten potentiell vorkommenden Partikelsorte innerhalb eines Bereichs von Partikelgrössen (bspw. Asche- oder Rauchpartikel) unabhängig von der Partikelgrösse oberhalb der Schwelle liegt, wenn das entsprechende Messsignal eines Partikels der ersten potentiell vorkommenden Partikelsorte (Wasser- bzw. Eispartikel) unterhalb der Detektionsschwelle liegt. According to embodiments, in particular such a threshold can be determined, and the determination of the property can be based on the fact that the measurement signal, which of a particle of the second potentially occurring particle type within a range of particle sizes (eg ash or smoke particles), regardless of the particle size above the threshold is when the corresponding measurement signal of a particle of the first potentially occurring particle type (water or ice particles) is below the detection threshold.
Bei Messungen mit Einzelpartikelzählung kann die Schwelle optional als Messschwelle zur Diskriminierung verwendet werden, d.h. Streulichtpulse, deren Intensität (oder Verhältnis von Intensitäten) unterhalb der Messschwelle liegen, werden verworfen. For single particle count measurements, the threshold can optionally be used as a discrimination threshold, i. Scattered light pulses whose intensity (or ratio of intensities) are below the measurement threshold are discarded.
Ergänzend oder alternativ kann sich die charakteristische Wellenlänge in Ausffihrungsformen durch mindestens eine der folgenden Eigenschaften auszeichnen: Additionally or alternatively, the characteristic wavelength in Ausffihrungsformen can be characterized by at least one of the following properties:
- Der Realteil des Brechungsindexes des besagten Materials oder die- The real part of the refractive index of said material or the
Ableitung des Realteils des Brechungsindexes des besagten Materials nach der Wellenlänge zeigt bei der charakteristischen Wellenlänge ein lokales Extremum; Deriving the real part of the refractive index of said material by wavelength shows a local extremum at the characteristic wavelength;
- Der Imaginärteil des Brechungsindexes des besagten Materials oder die Ableitung des Imaginärteils des Brechungsindexes des besagten Materials nach der Wellenlänge zeigt bei der charakteristischen Wellenlänge ein lokales Extremum. - The imaginary part of the refractive index of said material or the derivative of the imaginary part of the refractive index of said Material by wavelength shows a local extremum at the characteristic wavelength.
In Anwendungen werden durch das erfmdungsgemässe Vorgehen vulkanische, gesundheitsschädliche und/oder durch Hitze oder Feuer entstandene Partikel von harmlosen Wasser-/Eispartikeln unterschieden, d.h. das genannte Material der ersten Partikelsorte ist Wasser in fester und/oder flüssiger Form. In applications, volcanic, harmful and / or heat or fire particles are distinguished from harmless water / ice particles by the procedure according to the invention. said material of the first particle type is water in solid and / or liquid form.
Im Unterschied zum Stand der Technik beruht der erfindungsgemässe Ansatz also darauf, dass die Wellenlängenabhängigkeit des elastischen Lichtstreuvermögens von Partikeln genutzt wird, und zwar nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt zur Bestimmung der Partikelgrösse (es ist aufgrund von physikalischen Gesetzmässigkeiten logisch, dass die Partikelgrösse kritisch in das Lichtstreuvermögen eingeht), sondern es wird bei im Allgemeinen unbekannter Orössenverteilung die durchaus überraschende Eigenschaft genutzt, dass auch bei elastischer Streuung die Materialzusammensetzung, also letztlich die chemischen Eigenschaften, kritisch ins Lichtstreuvermögen eingehen - obwohl bei elastischer Streuung definitionsgemäss keine Übergänge im streuenden Material erzeugt werden. In contrast to the prior art, the approach according to the invention is therefore based on the fact that the wavelength dependence of the elastic light scattering capacity of particles is used, not as known from the prior art for determining the particle size (it is logical that the particle size is due to physical laws critical in the light scattering ability), but it is used in generally unknown Orössenverteilung the quite surprising property that even with elastic scattering, the material composition, so ultimately the chemical properties, critical into the Lichtstreuvermögen - although by elastic scattering by definition, no transitions in the scattering material be generated.
Vorgängig erwähnte Massnahme A. kann bedeuten, dass bei einer interessierenden Partikelsorte - die entweder in der Messung besonders interessieren oder im Gegenteil dazu ausgeblendet werden sollen - eine Suche nach einem Bereich eines maximalen oder minimalen Lichtstreuvermögens durchgeführt wird. Dies kann rein experimentell durch Durchstimmen eines Wellenlängenbereichs anhand einer Standardprobe und/oder rechnerisch und/oder in Kombination geschehen. Beispielsweise kann nach Minima oder Maxima des Realteils n des Brechungsindizes oder des Verhältnisses (n-l)/k, wobei k der Imaginärteil des Brechungsindizes ist, gesucht werden. Bei sehr kleinen Partikeln kann auch die für Rayleigh-Streuung bestimmende Grösse ((n2-l)/(n2+2))2 von Interesse sein. Ist eine dieser Grössen maximal oder minimal, kann das Lichtstreuvermögen der interessierenden Partikel bei dieser Wellenlänge experimentell mit einem Durchschnitt aber den genannten Wellenlängenbereich verglichen werden. Measure A mentioned above may mean that a search for a range of maximum or minimum light scattering capacity is carried out for a particle of interest - either of particular interest in the measurement or, on the contrary, to be hidden. This can be done purely experimentally by tuning a wavelength range using a standard sample and / or computationally and / or in combination. For example, after minima or maxima of the real part n of the refractive index or the ratio (nl) / k, where k is the imaginary part of the Refractive indices is to be searched. For very small particles, the size ((n 2 -l) / (n 2 + 2)) 2 determining Rayleigh scattering may also be of interest. If one of these magnitudes is maximal or minimal, the light scattering power of the particles of interest at this wavelength can be experimentally compared with an average but the said wavelength range.
Bei Massnahme B kann die Wellenlänge im Bereich 2.75 μm ± 0.3 μm, insbesondere 2.75 μm ± 0.2 μm, speziell 2.75 μm ± 0.1 μm, oder im Bereich 1.9 μm ± 0.2 μm, insbesondere 1.9 μm ± 0.1 μm, oder im Bereich 5.9 μm ± 0.4 μm, insbesondere 5.9 μm ± 0.2 μm, sein, wobei in der Realität das Licht wie von monochromatischer Strahlung bekannt, natürlich eine endliche Linienbreite aufweist, d.h. einen - im Vergleich zu „weissem" Licht schmalen - Wellenlängenbereich abdeckt. Die Linienbreite kann beispielsweise maximal 10% oder 8% oder 5% oder 3% der zentralen Wellenlänge betragen. In the case of measure B, the wavelength can be in the range 2.75 μm ± 0.3 μm, in particular 2.75 μm ± 0.2 μm, especially 2.75 μm ± 0.1 μm, or in the range 1.9 μm ± 0.2 μm, in particular 1.9 μm ± 0.1 μm, or in the range 5.9 μm ± 0.4 microns, in particular 5.9 microns ± 0.2 microns, in reality, the light as known from monochromatic radiation, of course, has a finite line width, ie covering a narrow wavelength range compared to "white" light, for example, the line width may be at most 10% or 8% or 5% or 3% of the central wavelength.
Bei einer Kombination der Massnahme B. mit der Massnahme C. kann bspw. eine der definierten Wellenlängen 2.75 μm ± 0.3 μm, 1.9 μm ± 0.2 μm oder 5.9 μm ± 0.4 μm, betragen und die andere zwischen 0.4 μm und 1 μm, also im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich, liegen. Bei 2.75 μm ± 0.3 μm, 1.9 μm ± 0.2 μηι oder 5.9 μm ± 0.4 μm ist das Lichtstreuvermögen von Vulkanasche und anderen typischen Partikeln durchschnittlich bis gross und das Lichtstreuvermögen von Wasser- und Eispartikeln besonders gering. Im Bereich zwischen 0.4 μm und 1 μm ist das Lichtstreuvermögen von Wasser- und Eispartikeln hingegen relativ gross, so dass sich ein sehr hohes Verhältnis ergibt, was nachstehend anhand von Fig. 2 konkret und quantitativ illustriert wird. Generell wird für Messungen der hier diskutierten Art der Lichtstreuwinkel ungleich 0 sein (d.h. es wird nicht im Durchlichtverfahren gemessen), und bevorzugt ist er grösser als 90°, d.h. man misst die Rückstreuung. In a combination of measure B. with the measure C., for example, one of the defined wavelengths 2.75 microns ± 0.3 microns, 1.9 microns ± 0.2 microns or 5.9 microns ± 0.4 microns, and the other between 0.4 .mu.m and 1 .mu.m, ie in near infrared or in the visible range. At 2.75 μm ± 0.3 μm, 1.9 μm ± 0.2 μm or 5.9 μm ± 0.4 μm, the light scattering capacity of volcanic ash and other typical particles is average to large and the light scattering capacity of water and ice particles is particularly low. In the range between 0.4 .mu.m and 1 .mu.m, the light scattering capacity of water and ice particles, however, is relatively large, so that a very high ratio results, which will be illustrated concretely and quantitatively below with reference to FIG. In general, for measurements of the type discussed here, the light scattering angle will be unequal to 0 (ie, it will not be measured in the transmitted light method), and preferably it will be greater than 90 °, ie, the backscattering will be measured.
Messverfahren die mit mehreren Wellenlangen arbeiten sind nicht neu. Sie werden in der bereits oben erwähnten Anmeldung WO 2005/029046 A2 eingesetzt; es ist auch bekannt entsprechende Messungen zu verwenden, um Information zum Brechungsindex zu erhalten. Gemäss diesem Ansatz der Erfindung werden die beiden gemessenen Grössen nun jedoch quantitativ - bspw. durch Verhältnisbildung - verglichen um gezielte Unterschiede in der Wellenlängenabhängigkeit des Lichtstreuvermögens verschiedener Partikel zu nutzen. Measuring methods that work with several wavelengths are not new. They are used in the already mentioned above application WO 2005/029046 A2; It is also known to use corresponding measurements to obtain information on the refractive index. According to this approach of the invention, however, the two measured quantities are now compared quantitatively - for example by ratio formation - in order to use targeted differences in the wavelength dependence of the light scattering capacity of different particles.
Die gemessene Eigenschaft - dies betrifft die Erfindung generell und potentiell alle möglichen der hier diskutierten Massnahmen - kann beinhalten: The measured property - this concerns the invention in general and potentially all possible measures discussed here - may include:
- Ein Mass für die Konzentration selektiver Partikel, beispielsweise der. A measure of the concentration of selective particles, for example the.
Anzahl- oder Massekonzentration; o je nach Anwendung reicht ein Mass für die Konzentration, welches sowohl von der Masse als auch von der Anzahl abhängig sein kann, und aus welchem nicht unbedingt eine präzise numerische Bestimmung der Anzahlkonzentration oder Gesamtmasse möglich ist). o Das Verfahren ist selektiv, indem gewisse Partikelsorten stärker berücksichtigt werden als andere; insbesondere können einerseits Partikel vulkanischen Ursprungs und andererseits Wasser/Eispartikel unterschiedlich berücksichtigt werden, oder das Verfahren kann für Partikel, die ein bestimmtes Element oder Mineral enthalten, besonders selektiv sein. - Ein Mass für die Partikelgrösse oder -grössenverteilung. Number or mass concentration; o Depending on the application, a measure of the concentration is sufficient, which may depend both on the mass and on the number, and from which a precise numerical determination of the number concentration or total mass is not necessarily possible). o The process is selective, taking into account certain types of particles more than others; In particular, on the one hand particles of volcanic origin and on the other water / ice particles can be considered differently, or the method can be particularly selective for particles containing a particular element or mineral. - A measure of the particle size or size distribution.
Das Verfahren kann beinhalten, dass ein Detektionsvolumen zur Verfügung gestellt wird und das zu charakterisierende Aerosol durch das Detektionsvolumen gefördert wird, bspw. durch aktive Pumpmittel oder unter Nutzung einer Strömung, bspw. des Fahrtwindes im Flugzeug oder einem Fahrzeug. The method can include providing a detection volume and conveying the aerosol to be characterized by the detection volume, for example by active pumping means or by utilizing a flow, for example the travel wind in the aircraft or a vehicle.
In dieser Ausführungsform können gemäss einer ersten Option die Grösse des Detektionsvolumcns und die Strömungsverhältnisse so gewählt sein, dass das Verfahren auf Einzelpartikelzählung beruht, d.h. mit jedem Partikel, das durch das Detektionsvolumen fliegt, wird eine Streulichtmessung durchgeführt (jedes Partikel erzeugt einen Streulichtpuls). In this embodiment, according to a first option, the size of the detection volume and the flow conditions may be chosen such that the method is based on single particle counting, i. with each particle flying through the detection volume, a scattered light measurement is performed (each particle generates a scattered light pulse).
Die absolute Intensität bei einer Wellenlänge kann optional auch genutzt werden um die Partikelgrösse und gegebenenfalls die Masse zu bestimmen, so wie das in optischen Partikelzählern oder Partikelspektrometern standardmässig gemacht wird. Aus den Messresultaten von vielen Partikeln kann dann die Massenkonzentration bestimmt werden. Optionally, the absolute intensity at one wavelength can also be used to determine the particle size and, if appropriate, the mass, as made standard in optical particle counters or particle spectrometers. The mass concentration can then be determined from the measurement results of many particles.
Gemäss einer zweiten Option kann das Detektionsvolumen deutlich vergrössert werden, so dass keine Einzelpulse, sondern ein kontinuierliches oder nur leicht pulsierendes Signal erzeugt wird. Es kann dann die integrale Streulichtintensität gemessen werden, d.h. die Messung wird über viele Partikel summiert. According to a second option, the detection volume can be significantly increased, so that no single pulses, but a continuous or only slightly pulsating signal is generated. Then, the integral scattered light intensity can be measured, i. the measurement is summed over many particles.
Als Beispiel kann das Detektionsvolumen für die erste Option ungefähr 1 mm3 betragen, und für die zweite Option ungefähr 1 cm3. Das Optimum ist abhängig von der Aerosolkonzentration und kann im Bedarfsfall im Experiment bestimmt werden, durch Anpassung bis sich ein gewünschter Lichtstreuintensitätsverlauf ergibt As an example, the detection volume for the first option may be about 1 mm 3 , and for the second option about 1 cm 3 . The optimum depends on the aerosol concentration and can be determined in the experiment if necessary, by adaptation until a desired Lichtstreuintensitätsverlauf results
In dieser zweiten Option kann die absolute Intensität bei einer Wellenlänge optional benutzt werden, um eine zusätzliche Information über die absolute Konzentration (bspw. Massekonzentration) zu gewinnen. In this second option, the absolute intensity at one wavelength can optionally be used to obtain additional information about the absolute concentration (eg mass concentration).
Die Anpassung des Messvolumens gemäss der ersten oder zweiten Option kann mit an sich bekannten Mitteln (Fokussierung etc.) und Anpassung so lange, bis das gewünschte Ergebnis (Einzelpulse bzw. kontinuierliches Signal) erreicht ist, geschehen. The adjustment of the measuring volume according to the first or second option can be done with known means (focusing, etc.) and adaptation until the desired result (individual pulses or continuous signal) is reached.
In beiden Optionen ist möglich, die Winkclabhängigkeit des Streulichts zu messen, woraus beispielsweise insbesondere Grösseninformationen - zusätzlich zur allenfalls primär gemessenen Konzentration - gewonnen werden können. In both options it is possible to measure the angular dependence of the scattered light, from which, for example, size information can be obtained, in addition to the concentration measured primarily at first.
Andererseits kann das Verfahren auch als LIDAR-Messung durchgeführt werden, d.h. die primäre Strahlung wird auf das Aerosol gerichtet, das sich in einer nicht notwendigerweise genau definierten, auch entfernteren Distanz befindet. Die LIDAR-Messung kann sich von derjenigen mit definiertem lokalem Detektionsvolumen unter anderem dadurch unterscheiden, dass der Lichtstrahl der primären Strahlung parallel (bspw. kollinear) zum delektieren gestreuten Strahlung ist. Der Streuwinkels ist also im Wesenüichen 180°. Das Verfahren funktioniert dann auch bei weit entfernten Partikeln; die Partikel müssen nicht in einem definierten Messvolumen sein. Bei einer LIDAR-Messung kann optional auch mit an sich bekannten Verfahren der Abstand der lichtstreuenden Partikel zur Messanordnung bestimmt werden; daraus kann zusammen mit Informationen über die Lichtstreuintensität ebenfalls eine Aussage über Teilchen- (-messen-) Konzentrationen gemacht werden. On the other hand, the method can also be carried out as a LIDAR measurement, ie the primary radiation is directed to the aerosol, which is located in a not necessarily precisely defined, even more remote distance. Among other things, the LIDAR measurement may differ from that with a defined local detection volume in that the light beam of the primary radiation is parallel (eg collinear) for detecting scattered radiation. The scattering angle is thus in essence 180 °. The method then works even with distant particles; the particles do not have to be in a defined measuring volume. In a LIDAR measurement, the distance of the light-scattering particles from the measuring arrangement can optionally also be determined by methods known per se; From this, together with information about the light scattering intensity, it is also possible to make a statement about particle (measurement) concentrations.
Eine Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas suspendierten Partikeln eines Aerosols weist auf: An apparatus for measuring a property of aerosol particles suspended in a carrier gas comprises:
- Eine Strahlungsquelle von elektromagnetischer primärer Strahlung von einer definierten Wellenlänge oder von mehreren definierten Wellenlängen; A radiation source of electromagnetic primary radiation of a defined wavelength or of several defined wavelengths;
- Eine Detektionseinheit zum Generieren eines Messsignals durch Messung von an den Partikeln elastisch gestreuten Anteilen der primären Strahlung; A detection unit for generating a measurement signal by measuring proportions of the primary radiation elastically scattered on the particles;
- Eine Auswerteeinheit zum Ermitteln der Eigenschaft aus dem Messsignal; An evaluation unit for determining the property from the measurement signal;
- Wobei die definierte Wellenlänge bzw. eine der definierten Wellenlängen auf eine charakteristische Wellenlänge mindestens einer im Aerosol potentiell vorkommenden Partikelsorte abgestimmt ist. - Wherein the defined wavelength or one of the defined wavelengths is tuned to a characteristic wavelength of at least one potentially occurring in the aerosol particle type.
Ausserdem kann die Vorrichtung Mittel zum Durchführen irgendeiner der in diesem Text beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens beinhalten. In addition, the apparatus may include means for performing any of the embodiments of the method described herein.
Anwendungen des erfindungsgemässen Vorgehens umfassen insbesondere die selektive Detektion von Vulkanasche und ihre Unterscheidung von Wasser- und Eispartikeln, bspw. auf grosser Höhe, insbesondere in oder an Flugzeugen an einem Wetterballon oder in einer Messstation in den Bergen, bspw. von mindestens 3000 m.ü.M. Für Flugzeuge ist sowohl eine Apparatur mit definiertem Detektionsvolumen, welchem ein Luftstrom zugeführt wird, als auch eine LIDAR- Apparatur denkbar. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft von in einem Trägergas suspendierten Partikeln eines Aerosols innerhalb des Flugzeuges, beispielsweise innerhalb des Flugzeugrumpfes oder in einem Flügel, positioniert sein, wobei die Messung durch ein Fenster, beispielsweise aus Saphir-Glas, hindurch erfolgen kann. Dabei kann die Vorrichtung für Einzelpartikelzählung, bzw. Einzelpartikelanalyse, und/oder für die Verwendung eines Verfahrens, welches auf einer integralen Streulichtintensität beruht, eingerichtet sein. Ferner kann die Vorrichtung dahingehend eingerichtet sein, dass Messungen an einem beziehungsweise mehreren Aerosolen) im Nah- oder Fernbereich der Vorrichtung möglich sind. Applications of the inventive method include in particular the selective detection of volcanic ash and their distinction of water and ice particles, for example. At high altitude, in particular in or on airplanes on a weather balloon or in a measuring station in the mountains, for example. Of at least 3000 m.ü .M. For aircraft, both an apparatus with a defined detection volume to which an air flow is supplied and a LIDAR apparatus are conceivable. For example, the device may be positioned to measure a property of particles of an aerosol suspended within a carrier gas within the aircraft, for example within the fuselage or in a wing, the measurement being through a window, such as sapphire glass. In this case, the device can be set up for single particle counting or single particle analysis, and / or for the use of a method which is based on an integral scattered light intensity. Furthermore, the device may be arranged such that measurements on one or more aerosols are possible in the near or far region of the device.
Für Einzelpartikelzählung, bzw. Einzelpartikelanalyse, an einem ausserhalb des Flugzeuges (und auch ausserhalb der nachfolgend beschriebenen Gondel) befindlichen Volumens kann besagtes Volumen beispielsweise durch den Strahlengang und/oder die Strahlcharakteristik der eingestrahlten primären Strahlung definiert und in seinem Volumen für die Einzelpartikelzählung, bzw. Einzelpartikelanalyse, eingerichtet sein. For single particle counting, or single particle analysis, on a outside of the aircraft (and also outside the nacelle described below) volume said volume defined for example by the beam path and / or the beam characteristic of the radiated primary radiation and in its volume for the individual particle count, or Single particle analysis, be set up.
Alternativ kann die innerhalb des Flugzeugs positionierte Vorrichtung in Kombination mit einem innerhalb des Flugzeugs, insbesondere in der Nähe der Vorrichtung, befindlichen lokalen, durchströmten Detektionsvolumen verwendet werden. Dies ermöglicht die Verwendung eines Verfahrens, welches auf Einzelpartikelzählung, bzw. Einzelpartikelanalyse, insbesondere im Nahbereich der Strahlungsquelle beruht. Allerdings ist auch bei vorhandenem lokalen, durchströmten Detektionsvolumen die Verwendung eines Verfahrens möglich, welches auf einer integralen Streulichtintensität beruht. Es ist auch möglich, die Vorrichtung ausserhalb des Flugzeuges, beispielsweise in einer Gondel, anzubringen. Die Gondel kann beispielsweise unterhalb eines Flügels angebracht sein. Auch bei dieser Ausftlhrungsform kann die Vorrichtung für Einzelpartikelzählung, bzw. Einzelpartikelanalyse, und/oder für die Verwendung eines Verfahrens, welches auf einer integralen Streulichtintensität beruht, eingerichtet sein. Das Detektionsvolumen kann sich wiederum im Aussenbereich der Gondel, beziehungsweise des Flugzeuges, oder in einem lokalen, durchströmten Detektionsvolumen befinden. Durch Integration eines Detektionsvolumen der genannten Art in die Gondel kann ein Verfahren zur Anwendung kommen, welches auf Einzelpartikelzählung, bzw. Einzelpartikelanalyse, insbesondere im Nahbereich der Strahlungsquelle beruht. Allerdings ist auch hier bei vorhandenem Detektionsvolumen der genannten Art die Verwendung eines Verfahrens möglich, welches auf einer integralen Streulichtintensität beruht. Alternatively, the device positioned within the aircraft may be used in combination with a local, flow-through detection volume located within the aircraft, particularly in the vicinity of the device. This allows the use of a method which is based on single particle counting, or single particle analysis, in particular in the vicinity of the radiation source. However, the use of a method which is based on an integral scattered light intensity is possible even if there is a local, throughflowed detection volume. It is also possible to mount the device outside the aircraft, for example in a nacelle. The nacelle may for example be mounted below a wing. In this embodiment as well, the device can be set up for single particle counting, or for single particle analysis, and / or for the use of a method which is based on an integral scattered light intensity. The detection volume can in turn be located in the outer area of the nacelle, or of the aircraft, or in a local, traversed detection volume. By integrating a detection volume of the type mentioned in the nacelle, a method can be used which is based on single particle counting or single particle analysis, in particular in the vicinity of the radiation source. However, even with an existing detection volume of the type mentioned, it is possible to use a method based on an integral scattered light intensity.
Unabhängig davon, ob die Vorrichtung im Flugzeug, beispielsweise im Flugzeugrumpf oder in einem Flügel, oder ausserhalb des Flugzeugs, beispielsweise in der zuvor beschriebenen Gondel, angebracht ist, kann die Vorrichtung dahingehend eingerichtet sein, dass Messungen an einem Aerosol im Nah- oder Fernbereich der Vorrichtung möglich sind. Irrespective of whether the device is mounted in the aircraft, for example in the fuselage or in a wing, or outside the aircraft, for example in the previously described nacelle, the device may be arranged such that measurements on an aerosol in the near or far region of the aircraft Device are possible.
Eine selektive Unterdrückung von Wassertröpfchen könnte als weitere Anwendung auch für Rauchdetektoren interessant sein, weil diese Wassertröpfchen oft die Ursache für Fehlalarme sind. Selective suppression of water droplets could also be of interest as a further application for smoke detectors because these water droplets are often the cause of false alarms.
Durch Wahl anderer Wellenlängen können auch andere Materialien selektiv detekticrt werden. Man ist auch nicht auf zwei Wellenlängen beschränkt, die Verwendung von mehr als zwei Wellenlängen kann die Selektivität weiter erhöhen oder es können gleichzeitig mehrere verschiedene Substanzen erfasst werden. Es ist denkbar, dass man verschiedene Sorten von Mineralstauben unterscheiden kann: Hämatit-haltige Partikel streuen rotes Licht stärker als Limonit- oder Quarzit-haltige Partikel. By choosing different wavelengths, other materials can also be selectively detected. It is also not limited to two wavelengths, the use of more than two wavelengths can further increase the selectivity or simultaneously several different substances can be detected. It is It is conceivable that different types of mineral dust can be distinguished: hematite-containing particles scatter red light more strongly than limonite or quartzite-containing particles.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen: Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to drawings. Show it:
- Fig. 1 den Realteil (obere Kurve; n) und den Imaginärteil (untere Kurve; k) des Brechungsindizes von Wasser in Funktion der Wellenlänge; in diesem Text werden Wellenlängen generell als Vakuum- Wellenlängen angegeben; 1 shows the real part (upper curve, n) and the imaginary part (lower curve, k) of the refractive index of water in function of the wavelength; in this text, wavelengths are generally indicated as vacuum wavelengths;
- Fig. 2 das Verhältnis der Streuintensitäten bei 660 nm und 2750 nm Wellenlänge in Funktion der Partikelgrösse für verschiedene Materialien; FIG. 2 shows the ratio of scattering intensities at 660 nm and 2750 nm wavelength as a function of the particle size for different materials; FIG.
- Fig. 3 einen Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Durchführen des erfmdungsgemässen Verfahrens mit einem definierten Messvolumen; FIG. 3 shows a construction of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a defined measuring volume; FIG.
- Fig.4 einen Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens im LIDAR-Verfahren; und 4 shows a structure of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention in the LIDAR method; and
Fig. 5 einen weiteren Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Durchfuhren des erfindungsgemässen Verfahrens mit einem definierten Messvolumen. Fig. 1 zeigt als Beispiel den komplexen Brechungsindex von Wasser in Funktion der Wellenlänge λ. Im unteren Teil der Figur ist der Imaginärteil k logarithrnisch aufgetragen, im oberen Teil der Realteil n auf einer linearen Skala. Bei Wellenlängen knapp unter 3 Mikrometer ändert sich der komplexe Brechungsindex stark. Da die Intensität des gestreuten Lichtes vom Brechungsindex abhängig ist, ist das Verhältnis der Streuintensität bei dieser Wellenlänge zu einer Anderen ein spezifisches Merkmal für Wasser oder Eis. 5 shows a further construction of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a defined measuring volume. Fig. 1 shows as an example the complex refractive index of water in function of the wavelength λ. In the lower part of the figure, the imaginary part k is logarithmically plotted, in the upper part the real part n on a linear scale. At wavelengths just below 3 microns, the complex refractive index changes greatly. Since the intensity of the scattered light depends on the refractive index, the ratio of the scattering intensity at this wavelength to another is a specific feature for water or ice.
Fig. 2 zeigt das Verhältnis der Streuintensitäten bei 0.66 und 2.75 Mikrometer Wellenlänge in Funktion der Partikelgrösse für Wasser und verschiedene mineralische Partikel. Die Kurven stehen für: 101 Wasser, 102 Afrikanischer Mineralstaub, 103: Andesit, 104: Basalt, 105 Vulkanasche, 106: Sand, 107: Bimsstein. Fig. 2 shows the ratio of scattering intensities at 0.66 and 2.75 microns wavelength as a function of particle size for water and various mineral particles. The curves represent: 101 water, 102 African mineral dust, 103: andesite, 104: basalt, 105 volcanic ash, 106: sand, 107: pumice stone.
Der kleine Realteil im Brechungsindex von Wasser bei 2.75 Mikrometer Wellenlänge führt zu einer kleinen Streuintensität und damit zu einem grossen Intensitätsverhältnis. In Anwendung des erfmdungsgemässen Ansatzes sieht man, dass Wasser mit dieser Methode von den anderen Partikeln unterschieden werden kann. Dabei ist es nicht erforderlich, die Brechungsindizes der anderen Materialien genau zu kennen. The small real part in the refractive index of water at 2.75 micron wavelength leads to a small scattering intensity and thus to a high intensity ratio. In application of the inventive approach, it can be seen that water can be distinguished from the other particles by this method. It is not necessary to know exactly the refractive indices of the other materials.
Ein möglicher Aufbau für eine Messapparatur ist in Fig.3 gezeigt. Die Strahlen eines IR-Lasers 3 und eines sichtbaren Lasers 1 werden über zwei Spiegel 9 auf das gleiche Detektionsvolumen 6 (typischerweise einige mm3, also bspw. zwischen 1 mm3 und 100 mm3) fokussiert Die Optik zweier Detektoren (7 für sichtbares- und 8 für IR-Licht) ist ebenfalls auf dieses Volumen gerichtet. Die Detektoren sind wellenlängenselektiv, d.h. sie enthalten bspw. ein je auf die Wellenlänge der primären Strahlung angepasstes Bandpassfilter. Ein Luftstrom 5 durchquert dieses Volumen. Ein Partikel, das mit dem Luftstrom 5 durch das Volumen fliegt erzeugt in beiden Detektoren gleichzeitig je einen Streulichtpuls. Die Messsignale werden einer Auswerteeinheit 20 zugeführt und dort ausgewertet, indem aus dem Messsignalen auf mindestens eine Eigenschaft des Aerosols geschlossen wird. Die Auswerteeinheit kann eine dedizierte Ansteuerungselektronik der Detektoren und/oder generische Datenverarbeitungsmittel (Computer) beinhalten. Nicht alle Elemente der Auswerteeinheit müssen physisch am selben Ort vorhanden sein, auch Ansätze mit an verschiedenen Orten angeordneten, über Signal- und/oder Datenverarbeitungsverbindungen miteinander verbundene Untereinheiten sind denkbar. A possible construction for a measuring apparatus is shown in FIG. The beams of an IR laser 3 and a visible laser 1 are focused by two mirrors 9 on the same detection volume 6 (typically a few mm 3 , ie, for example, between 1 mm 3 and 100 mm 3 ). The optics of two detectors (7 visible) and 8 for IR light) is also directed to this volume. The detectors are wavelength-selective, ie they contain, for example, a bandpass filter which is adapted in each case to the wavelength of the primary radiation. An airflow 5 passes through this Volume. A particle that flies through the volume with the air stream 5 simultaneously generates a scattered light pulse in both detectors. The measurement signals are fed to an evaluation unit 20 and evaluated there, by deducing from the measurement signals at least one property of the aerosol. The evaluation unit may include a dedicated control electronics of the detectors and / or generic data processing means (computer). Not all elements of the evaluation unit must physically be present in the same location, and also approaches with arranged at different locations, via signal and / or data processing connections interconnected subunits are conceivable.
Für jedes solche Pulspaar wird das Intensitätsverhältnis bestimmt und dazu benutzt, das zugehörige Partikel einer Kategorie (Wasser oder Mineral) zuzuordnen. For each such pair of pulses, the intensity ratio is determined and used to assign the associated particle to a category (water or mineral).
Die absolute Intensität bei einer Wellenlänge kann dann optional noch genutzt werden um die Partikelgrösse und gegebenenfalls die Masse zu bestimmen, so wie das in optischen Partikelzählern oder Partikelspektrometern standardmässig gemacht wird. Aus den Messresultaten von vielen Partikeln kann dann die Massenkonzentration bestimmt werden. The absolute intensity at one wavelength can then optionally be used to determine the particle size and optionally the mass, as is done by default in optical particle counters or particle spectrometers. The mass concentration can then be determined from the measurement results of many particles.
Anstatt wie oben beschrieben Einzelpulse zu analysieren (Einzelpartikelanalyse) kann auch das Detektionsvolumen deutlich vergrössert werden, sodass sich zeitgleich eine grössere Anzahl Partikel darin befindet, die ein kontinuierliches oder nur noch leicht pulsierendes Streulicht Signal erzeugen, welches dann ausgewertet wird. Die Selektion erfolgt wieder aus dem Intensitätsverhältnis, die Partikelgrösse ist so nicht mehr feststellbar. Die integrale Intensität kann aber auch zu einer Abschätzung der Massenkonzentration benutzt werden. Neben der Wellenlänge ist der Streuwinkel (Winkel zwischen einfallendem Licht und vom Detektor erfassten Licht; im gezeigten Beispiel α für das sichtbare Licht und ß für das IR-Licht; der Streuwinkel ist in diesem Text so definiert, dass ein Streuwinkel von 180° einer RÜckstreuung in Richtung zurück in die Richtung, aus der die primäre Strahlung kommt, entspricht) ein Parameter, der so optimiert werden kann, dass die erwünschte Selektivität möglichst gross ist. Instead of analyzing individual pulses as described above (single particle analysis), the detection volume can also be significantly increased, so that at the same time there is a larger number of particles which generate a continuous or only slightly pulsating scattered light signal, which is then evaluated. The selection is made again from the intensity ratio, the particle size is no longer detectable. The integral intensity can also be used to estimate the mass concentration. In addition to the wavelength, the scattering angle (angle between incident light and light detected by the detector, in the example shown is α for the visible light and β for the IR light, the scattering angle is defined in this text so that a scattering angle of 180 ° of a backscatter back in the direction from which the primary radiation comes) corresponds to a parameter that can be optimized so that the desired selectivity is as large as possible.
Da die Winkelabhängigkeit des Streulichtes je nach Partikelgrösse anders ist, kann eine optionale Mehrwinkelmessung zusätzlich Grösseninformation liefern. Since the angle dependence of the scattered light is different depending on the particle size, an optional multi-angle measurement can additionally provide size information.
In weiteren Varianten des Aufbaus gemäss Fig. 3 werden nur eine Lichtquelle und nur ein Detektor verwendet, beispielsweise bei einer Wellenlänge von 2.75 μm, wodurch ein für Wasser-/Eispartikel vergleichsweise wenig empfindlicher Aufbau resultiert. In further variants of the structure according to FIG. 3, only one light source and only one detector are used, for example at a wavelength of 2.75 μm, which results in a construction which is comparatively less sensitive to water / ice particles.
Eine andere mögliche Ausführung, die eine Fernmessung als LIDAR ermöglicht, zeigt Fig.4. Hier werden die Strahlen des IR-Lasers 3 und des sichtbaren Lasers 1 über einen halbdurchlässigen Spiegel 12 zur Deckung gebracht, sodass ein paralleler Strahl mit beiden Wellenlängen entsteht. Das von einer Partikelwolke 14 zurückgestreute Licht wird über einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel 13 und den zwei Spiegeln 10 und 11 den beiden Detektoren 7 und 8 zugeführt. Die Laser werden in diesem Fall gepulst betrieben, sodass über eine Laufzeitmessung auch die Entfernung der Partikelwolke bzw. deren Dichteprofil bestimmt werden kann. Another possible embodiment, which allows remote measurement as LIDAR, Fig.4. Here, the beams of the IR laser 3 and the visible laser 1 are brought into coincidence via a semitransparent mirror 12, so that a parallel beam with both wavelengths is formed. The light backscattered by a particle cloud 14 is fed via a further semitransparent mirror 13 and the two mirrors 10 and 11 to the two detectors 7 and 8. The lasers are pulsed in this case, so that the distance of the particle cloud or its density profile can be determined via a transit time measurement.
Auch die Ausführungsform gemäss Figur 4 kann alternativ nur mit einer Lichtquelle und einem Detektor ausgeführt sein und beispielsweise bei einer Wellenlänge von 2.75 μm messen. Figur 5 zeigt eine weitere, zu der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform ähnliche, Ausfilhrungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung, welche insbesondere für Messungen durch ein Fenster 13 geeignet ist. Das Fenster 13 ist beispielsweise in die Flugzeughaut eines Flugzeugs, beispielsweise im Bereich des Flugzeugsrumpfs oder im Bereich eines Flügels, integriert. Das Fenster 13 kann aber auch beispielsweise Teil einer Gondel der zuvor beschriebenen Art sein. The embodiment according to FIG. 4 can alternatively be designed only with a light source and a detector and measure, for example, at a wavelength of 2.75 μm. FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention which is similar to the embodiment shown in FIG. 3 and which is particularly suitable for measurements through a window 13. The window 13 is integrated, for example, in the aircraft skin of an aircraft, for example in the region of the aircraft fuselage or in the region of a wing. However, the window 13 can also be part of a gondola of the type described above, for example.
In der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform werden die Strahlen eines IR-Lascrs 3 und eines sichtbaren Lasers 1 über einen ersten dielektrischen Spiegel 9.1 in einen Strahl vereint und mittels eines Spiegels 10 auf ein gemeinsames Detektionsvolumen 6 (typischerweise einige mm3, also bspw. zwischen 1 mm3 und 100 mm3) fokussiert Die Optik zweier Detektoren (7 für sichtbares- und 8 für IR- Licht) ist ebenfalls auf dieses Volumen gerichtet Die Detektoren sind wiederum wellenlängenselektiv, d.h. sie enthalten bspw. ein je auf die Wellenlänge der primären Strahlung angepasstes Bandpassfilter. Das von den Partikeln gestreute Licht wird mittels eines parabolischen Spiegels 11 auf einen zweiten dielektrischen Spiegel 9.2 gelenkt, der das sichtbare Licht durchlässt und die IR Strahlung reflektiert. Analog zu Figur 3 erzeugt ein Partikel, das mit dem Luftstrom 5 durch das Detektionsvolumen 6 fliegt in beiden Detektoren gleichzeitig je einen Streulichtpuls. Die Spiegel, Laser und Detektoren können durch eine Wand 12 vom Luftstrom getrennt sein und die Lichtstrahlen werden durch optische Fenster 13 aus Saphirglas geführt. Die Messsignale werden wiederum einer Auswerteeinheit 20 zugeführt und dort ausgewertet, indem aus den Messsignalen auf mindestens eine Eigenschaft des Aerosols geschlossen wird. Die Auswerteeinheit kann eine dedizierte Ansteuerungselektronik der Detektoren und/oder generische Datenverarbeitungsmittel (Computer) beinhalten. Nicht alle Elemente der Auswerteeinheit müssen physisch am selben Ort vorhanden sein, auch Ansätze mit an verschiedenen Orten angeordneten, über Signal- und/oder Datenverarbeitungsverbindungen miteinander verbundene Untereinheiten sind denkbar. Neben der Wellenlänge ist wiederum der Streuwinkel (Winkel zwischen einfallendem Licht und von den Detektoren erfassten Licht; im gezeigten Beispiel α für das sichtbare Licht und das IR-Licht; der Streuwinkel ist in diesem Text so definiert, dass ein Streuwinkel von 180° einer Rückstreuung in Richtung zurück in die Richtung, aus der die primäre Strahlung kommt, entspricht) ein Parameter, der so optimiert werden kann, dass die erwünschte Selektivität möglichst gross ist. In the embodiment shown in FIG. 5, the beams of an IR laser 3 and a visible laser 1 are combined into a beam via a first dielectric mirror 9.1 and by means of a mirror 10 onto a common detection volume 6 (typically a few mm 3 , ie, for example 1 mm 3 and 100 mm 3 ) Focused The optics of two detectors (7 for visible and 8 for IR light) is also directed to this volume The detectors are again wavelength-selective, ie they contain, for example, one on the wavelength of the primary radiation adapted bandpass filter. The light scattered by the particles is directed by means of a parabolic mirror 11 onto a second dielectric mirror 9.2, which transmits the visible light and reflects the IR radiation. Analogously to FIG. 3, a particle which flies with the air flow 5 through the detection volume 6 simultaneously generates a scattered light pulse in both detectors. The mirrors, lasers and detectors may be separated from the airflow by a wall 12 and the light rays are guided through sapphire glass optical windows 13. The measurement signals are in turn supplied to an evaluation unit 20 and evaluated there, by inferring from the measurement signals on at least one property of the aerosol. The evaluation unit may include a dedicated control electronics of the detectors and / or generic data processing means (computer). Not all elements of the evaluation unit must physically be present in the same location, and also approaches with arranged at different locations, via signal and / or data processing connections interconnected subunits are conceivable. In turn, besides the wavelength, the scattering angle (angle between incident light and light detected by the detectors, in the example shown, α for the visible light and the IR light, the scattering angle is defined in this text such that a scattering angle of 180 ° of a backscatter back in the direction from which the primary radiation comes) corresponds to a parameter that can be optimized so that the desired selectivity is as large as possible.
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